01 Introduzione al corso - bn

Elettronica Industriale
Corso di
ELETTRONICA INDUSTRIALE
Conversione di energia
“Introduzione al Corso”
Elettronica Industriale
Elettronica Industriale
Conversione di energia
Conversione di energia
• Conversione elettrica
• Conversione elettrica
Alim.
Ui , Ii , fi
Conv.
Statico
Uo , Io , fo
Carico
Elettrico
η≈1
– Le grandezze elettriche erogate al carico
hanno caratteristiche di ampiezza e frequenza
diverse da quelle dell’alimentazione
– Il convertitore statico ha rendimento molto alto
poiché é realizzato con componenti a basse
perdite
Elettronica Industriale
Elettronica Industriale
Conversione di energia
Conversione di energia
• Conversione elettrica
• Conversione elettrica
• Conversione elettro-meccanica
• Conversione elettro-meccanica → Azionamenti
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Elettronica Industriale
Elettronica Industriale
Conversione di energia
Conversione di energia
• Conversione elettrica
• Conversione elettrica
• Conversione elettro-meccanica → Azionamenti
• Conversione elettro-meccanica → Azionamenti
Alim.
Ui , Ii , fi
Conv. Uo , Io , fo
Statico
Carico
• Altre conversioni:
Mecc.
– elettro-termica (trattamenti termici:
fusione, tempra, ecc.)
– elettro-chimica (processi elettrochimici:
elettrolisi, elettrodeposizione, ecc.)
– elettro-luminosa (regolazione luminosa,
alimentazione di lampade fluorescenti,
ecc.)
Motore
η≈1
– La grandezza di uscita é meccanica (coppia,
velocitá, posizione)
– Il convertitore statico eroga le tensioni e le
correnti opportune (in ampiezza, fase e
frequenza) per controllare il motore
Tipi di convertitori
Tipi di convertitori
• Per le conversioni di energia si usano
prevalentemente convertitori statici:
Alim.
Ui , Ii , fi
Conv.
Statico
Uo , Io , fo
• Per le conversioni di energia si usano
prevalentemente convertitori statici:
~
– ca/cc → raddrizzatori
Carico
Alim.
Ui , Ii , fi
η≈1
~
Ui , Ii , fi
Conv.
Statico
Carico
Tipi di convertitori
• Per le conversioni di energia si usano
prevalentemente convertitori statici:
~
– ca/cc → raddrizzatori
Alim.
Uo , Io , fo
η≈1
Tipi di convertitori
– ca/ca
Conv.
Statico
=
=
• Per le conversioni di energia si usano
prevalentemente convertitori statici:
~
– ca/cc → raddrizzatori
– ca/ca
– cc/ca → invertitori
~
Uo , Io , fo
Carico
Alim.
η≈1
Ui , Ii , fi
Conv.
Statico
η≈1
Page 2
~
~
Uo , Io , fo
=
=
~
Carico
Tipi di convertitori
Tipi di convertitori
• Per le conversioni di energia si usano
prevalentemente convertitori statici:
~
– ca/cc → raddrizzatori
– ca/ca
– cc/ca → invertitori
– cc/cc
Alim.
Ui , Ii , fi
Conv.
Statico
~
=
~
=
=
• Per le conversioni di energia si usano
prevalentemente convertitori statici:
~
– ca/cc → raddrizzatori
– ca/ca
– ca/cc → invertitori
– cc/cc
~
=
Uo , Io , fo
Carico
~
=
~
=
=
~
=
• Tutti i convertitori impiegano interruttori
elettronici che consentono elevata velocitá di
operazione e buon rendimento energetico
η≈1
Settori di impiego
Settori di impiego
• Alimentatori
• Alimentatori
• Interfacce di rete
– circuiti elettronici
– lampade
– riscaldamento elettrico
– impianti elettrochimici
– rifasamento statico
– correzione attiva del fattore di potenza
– convertitori di frequenza
– filtri attivi
Settori di impiego
Settori di impiego
• Alimentatori
• Interfacce di rete
• Azionamenti
– applicazioni industriali
• Alimentatori
• Interfacce di rete
• Azionamenti
•
•
•
•
•
Page 3
laminatoi
trafile
continue per carta, plastica, tessuti, ...
macchine utensili (torni, frese, ecc.)
macchine operatrici (aspi, nastri
trasportatori, fusi, ...)
Settori di impiego
Settori di impiego
• Alimentatori
• Interfacce di rete
• Azionamenti
– applicazioni industriali
• Alimentatori
• Interfacce di rete
• Azionamenti
– applicazioni industriali
– applicazioni civili
• elettrodomestici (utensili, lavatrici,
lavastoviglie, rasoi, phon, ecc.)
• ambiente (ventilazione, condizionamento,
riscaldamento, pompe, ecc.)
• consumer (CD, registratori, telecamere,
ecc.)
Settori di impiego
Settori di impiego
• Alimentatori
• Interfacce di rete
• Azionamenti
– applicazioni industriali
– applicazioni civili
• Alimentatori
• Interfacce di rete
• Azionamenti
– applicazioni industriali
– applicazioni civili
– applicazioni per trazione
• treni, metropolitane, filobus
• autoveicoli elettrici, carrelli elevatori
• ascensori e montacarichi
• carri ponte e gru
• funivie, cabinovie, skilift
Esempio di applicazione: Gruppo di continuitá
Esempio di applicazione: Gruppo di continuitá
(UPS, Uninterruptible Power Supply)
(UPS, Uninterruptible Power Supply)
Bypass
Batteria
~
Rete
=
Raddrizzatore
=
~
Inverter
Carico
Protetto
• Il carico viene alimentato anche in assenza di rete
prelevando energia dalla batteria
• L’inverter fornisce tensioni molto stabili in
frequenza, ampiezza e forma d’onda
• Il bypass consente l’alimentazione diretta dalla rete
in caso di guasto dell’inverter o sovraccarico
Page 4
Esempio di applicazione: Forno ad induzione
Pezzo
~
=
Rete
ALIMENTATORI ELETTRONICI
=
Raddrizzatore
~
Inverter
Induttore
• L’inverter genera una corrente ad AF nell’induttore
• Il pezzo metallico viene riscaldato dalle correnti di
Focault
• Lo spessore del trattamento termico dipende dalla
frequenza della corrente impressa nell’induttore
• Il carico induttivo viene rifasato capacitivamente
(inverter con carico risonante)
Schema generale di un alimentatore
di tensione non regolato
• Alimentatori elettronici non regolati
• Alimentatori con regolatori lineari
• Alimentatori con regolatori switching
(Switched-Mode Power Supplies, SMPS)
• Impatto sulla rete degli alimentatori
• Alimentatori con stadio di ingresso ad
alto fattore di potenza (Power Factor
Correctors, PFC)
Schema generale di un alimentatore
di tensione non regolato
+
Uo
-
ug
Schema generale di un alimentatore
di tensione non regolato
Schema generale di un alimentatore
di tensione non regolato
+
Uo
-
ug
+
Uo
-
ug
trasformatore
trasformatore
Funzioni del trasformatore
• Isolamento tra alimentazione e carico
Page 5
Schema generale di un alimentatore
di tensione non regolato
Schema generale di un alimentatore
di tensione non regolato
+
Uo
-
ug
+
Uo
-
ug
trasformatore
trasformatore
Funzioni del trasformatore
Funzioni del trasformatore
• Possibilitá di generare diverse
tensioni tra loro isolate (sistemi
multiuscita)
• Adattamento di tensione
Funzioni del trasformatore
Schema generale di un alimentatore
di tensione non regolato
• Isolamento tra alimentazione e
carico
+
Uo
-
ug
• Adattamento di tensione
trasformatore raddrizzatore
carico
• Possibilitá di generare diverse
tensioni tra loro isolate (sistemi
multiuscita)
Struttura del raddrizzatore
(a doppia semionda)
Struttura del raddrizzatore
(a doppia semionda)
+
ug
-
Page 6
+
uo
-
raddrizzatore a
ponte di Graetz
Struttura del raddrizzatore
(a doppia semionda)
+
+
uo
-
ug
-
+
uo
-
+
ug
-
Schema generale di un alimentatore
di tensione non regolato
raddrizzatore a
ponte di Graetz
+
Uo
-
ug
trasformatore
raddrizzatore con
trasformatore a
presa centrale
raddrizzatore filtro
carico
Caratteristiche dell’alimentatore non regolato
• Rendimento elevato
Schema generale di un alimentatore
di tensione non regolato
Schema generale di un alimentatore
di tensione non regolato
+
Uo
-
ug
trasformatore
raddrizzatore filtro
carico
trasformatore
Caratteristiche dell’alimentatore non regolato
Caratteristiche
dell’alimentatore non regolato
+
Uo
raddrizzatore filtro
carico
• Corrente d’ingresso deformata
Schema generale di un alimentatore
di tensione non regolato
trasformatore
raddrizzatore filtro
Caratteristiche dell’alimentatore non regolato
• Tensione di uscita non regolata
– varia se ug varia (+10%, -20%)
– dipende dal carico
ug
+
Uo
-
ug
• Rendimento elevato
• Tensione di uscita non regolata
– varia se ug varia (+10%, -20%)
– dipende dal carico
• Corrente d’ingresso deformata
• Trasformatore a 50Hz (ingombrante e
costoso)
carico
Caratteristiche dell’alimentatore non regolato
• Trasformatore a 50Hz (ingombrante
e costoso)
Page 7
Alimentatore di tensione con regolatore lineare
Alimentatore di tensione con regolatore lineare
Io
+
ug
-
Alimentatore di tensione con regolatore lineare
Alimentatore di tensione con regolatore lineare
Io
ug
Io
+
+ +
Ui ∆U
-
Uo
-
ug
Uo
regolatore
lineare
+
+ +
Ui ∆U
-
-
Uo
regolatore
lineare
Caratteristiche
• Uscita stabilizzata ad un valore fisso
Alimentatore di tensione con regolatore lineare
Alimentatore di tensione con regolatore lineare
Io
ug
+ +
Ui ∆U
-
Io
+
-
ug
Uo
regolatore
lineare
Caratteristiche
+ +
Ui ∆U
-
+
-
Uo
regolatore
lineare
Caratteristiche
• Rendimento basso (regolatore dissipativo)
– ∆U = Ui - Uo > 3V
– Pd = ∆UIo é proporzionale a Io
• Semplice ed economico (IC commerciali)
Page 8
Alimentatore di tensione con regolatore lineare
Caratteristiche
Io
+ +
Ui ∆U
-
ug
+
-
• Uscita stabilizzata ad un valore fisso
• Semplice ed economico (IC commerciali)
• Rendimento basso (regolatore
dissipativo)
– ∆U = Ui - Uo > 3V
– Pd = ∆U Io é proporzionale a Io
• Utilizzabile per piccole potenze di uscita
Uo
regolatore
lineare
Caratteristiche
• Utilizzabile per piccole potenze di uscita
Esempio
Esempio
Scelta del rapporto spire
Specifiche:
Uimin = Uo + ∆Umin = 12 + 3 = 15 V
Ug = 220 V rms ± 20%
Uo = 12V
Ui min ≅ 2 ⋅ Ugmin ⋅
Io = 1A
N1
2 ⋅ 0.8 ⋅ 220
=
15
N2
N2
= 19 V ± 20% ≅ 15 ÷ 23 V
N1
∆U = Ui − Uo = 3 ÷ 11V
Pd = ∆U ⋅ Io = 3 ÷ 11W
η=
N2
N1
N1
= 16
N2
Limitazione della temperatura dei componenti
Esempio
Ui ≅ Ug ⋅ 2 ⋅
N1
del trasformatore
N2
Po
= 77 ÷ 54%
Po + Pd
Page 9
Limitazione della temperatura dei componenti
Limitazione della temperatura dei componenti
Pd ⋅R th = ∆T
Pd ⋅R th = ∆T
Pd = potenza dissipata
Rth = resistenza termica
∆T = sovratemperatura = Tcomponente - Tambiente
Limitazione della temperatura dei componenti
Limitazione della temperatura dei componenti
Pd ⋅R th = ∆T
Pd ⋅R th = ∆T
Pd = potenza dissipata
Pd = potenza dissipata
Rth = resistenza termica
Rth = resistenza termica
Tc omponente ≤ Tmax (125 − 150 ° C)
Tc omponente ≤ Tmax (125 − 150 ° C)
∆T = sovratemperatura = Tcomponente - Tambiente
∆T = sovratemperatura = Tcomponente - Tambiente
Rth dipende da
Limitazione della temperatura dei componenti
Limitazione della temperatura dei componenti
Pd ⋅R th = ∆T
Pd ⋅R th = ∆T
Pd = potenza dissipata
Pd = potenza dissipata
Rth = resistenza termica
Rth = resistenza termica
Tc omponente ≤ Tmax (125 − 150 ° C)
Tc omponente ≤ Tmax (125 − 150 ° C)
∆T = sovratemperatura = Tcomponente - Tambiente
∆T = sovratemperatura = Tcomponente - Tambiente
contenitore
contenitore
Rth dipende da
Rth dipende da
Page 10
dissipatore
Limitazione della temperatura dei componenti
Alimentatore con regolatore switching
(Switched Mode Power Supply, SMPS)
Pd ⋅R th = ∆T
Pd = potenza dissipata
Rth = resistenza termica
∆T = sovratemperatura = Tcomponente - Tambiente
Tc omponente ≤ Tmax (125 − 150 ° C)
contenitore
Rth dipende da
dissipatore
refrigerazione
Alimentatore con regolatore switching
(Switched Mode Power Supply, SMPS)
ug
Alimentatore con regolatore switching
(Switched Mode Power Supply, SMPS)
+
+
Ui
Uo
-
-
ug
+
+
Ui
Uo
-
-
convertitore
cc/cc
(trasformatore AF)
Alimentatore con regolatore switching
(Switched Mode Power Supply, SMPS)
ug
Alimentatore con regolatore switching
(Switched Mode Power Supply, SMPS)
+
+
Ui
Uo
-
-
convertitore
cc/cc
(trasformatore AF)
ug
Uo
-
-
convertitore
cc/cc
(trasformatore AF)
filtro
+
+
Ui
filtro
Caratteristiche
• Manca il trasformatore a 50 Hz
Page 11
Alimentatore con regolatore switching
(Switched Mode Power Supply, SMPS)
ug
Alimentatore con regolatore switching
(Switched Mode Power Supply, SMPS)
+
+
Ui
Uo
-
-
convertitore
cc/cc
(trasformatore AF)
ug
Caratteristiche
+
+
Ui
Uo
-
-
ug
filtro
+
+
Ui
Uo
-
-
convertitore
cc/cc
(trasformatore AF)
filtro
Caratteristiche
• Un solo convertitore cc/cc puó
fornire piú uscite isolate
• Trasformatore ad AF (piccolo ed economico)
Alimentatore con regolatore switching
(Switched Mode Power Supply, SMPS)
Alimentatore con regolatore switching
(Switched Mode Power Supply, SMPS)
+
+
Ui
Uo
-
-
convertitore
cc/cc
(trasformatore AF)
filtro
Alimentatore con regolatore switching
(Switched Mode Power Supply, SMPS)
Caratteristiche
ug
-
• Rendimento elevato
Alimentatore con regolatore switching
(Switched Mode Power Supply, SMPS)
convertitore
cc/cc
(trasformatore AF)
-
Caratteristiche
• Tensione d’uscita stabilizzata e regolabile
ug
Uo
convertitore
cc/cc
(trasformatore AF)
filtro
+
+
Ui
ug
Uo
-
-
convertitore
cc/cc
(trasformatore AF)
filtro
Caratteristiche
+
+
Ui
filtro
Caratteristiche
• Utilizzabile per potenze anche elevate
• Circuito complesso
Page 12
Forme d’onda tipiche dei raddrizzatori a diodi
Caratteristiche
•
•
•
•
Manca il trasformatore a 50Hz
Tensione d’uscita stabilizzata e regolabile
Rendimento elevato
Trasformatore ad AF (piccolo ed
economico)
• Un solo convertitore cc/cc puó fornire piú
uscite isolate
• Utilizzabile per potenze anche elevate
• Circuito complesso
Ig
Forme d’onda tipiche dei raddrizzatori a diodi
V
310
Forme d’onda tipiche dei raddrizzatori a diodi
V A U = 220 V
g
Ug = 220 V
7.6
30
20
V A U = 220 V
g
310
ug
7.6
Ig =
20
∞
∑
20
30
40 t [ms]
Forme d’onda tipiche dei raddrizzatori a diodi
V A U = 220 V
g
IgRMS = 1.9 A
IgRMS = 1.9 A
310
7.6
30
ug
Ig 10
40 t [ms]
Forme d’onda tipiche dei raddrizzatori a diodi
Ig 10
IgRMS = 1.9 A
310
ug
10
+
Ui
-
ug
ug
Ig 10
40 t [ms]
2
Ign
Ig =
1
Ig1 = 1 A
20
∞
2
∑ Ign
1
Page 13
30
40 t [ms]
Forme d’onda tipiche dei raddrizzatori a diodi
V A U = 220 V
g
310
ug
7.6
Ig 10
Ig =
20
Impatto sulla rete
IgRMS = 1.9 A
Ig1 = 1 A
P ≅ 220 W
30
40 t [ms]
∞
2
∑ Ign
1
Impatto sulla rete
Impatto sulla rete
Distorsione armonica totale (Total
Harmonic Distortion, THD)
Distorsione armonica totale (Total
Harmonic Distortion, THD)
THD =
Ig armoniche
Ig1
Impatto sulla rete
Impatto sulla rete
Distorsione armonica totale (Total
Harmonic Distortion, THD)
Distorsione armonica totale (Total
Harmonic Distortion, THD)
∞
Ig
THD = armoniche=
Ig1
∑
∞
I2gn
Ig
THD = armoniche=
Ig1
2
Ig1
∑ I2gn
2
Ig1
Fattore di potenza (Power Factor, PF)
Page 14
Impatto sulla rete
Impatto sulla rete
Distorsione armonica totale (Total
Harmonic Distortion, THD)
Distorsione armonica totale (Total
Harmonic Distortion, THD)
∞
THD =
Ig armoniche
=
Ig1
∞
∑ I2gn
2
THD =
Ig1
Fattore di potenza (Power Factor, PF)
Ig armoniche
=
Ig1
∑ I2gn
2
Ig1
Fattore di potenza (Power Factor, PF)
Ug ⋅ Ig1 ⋅ cosϕ1
potenza attiva
PF =
=
potenza apparente
Ug ⋅ Ig
potenza attiva
PF =
potenza apparente
Impatto sulla rete
Impatto sulla rete
Distorsione armonica totale (Total
Harmonic Distortion, THD)
Distorsione armonica totale (Total
Harmonic Distortion, THD)
∞
THD =
Ig armoniche
=
Ig1
∞
∑ I2gn
2
Ig1
THD =
= 1.61
Fattore di potenza (Power Factor, PF)
Ig armoniche
=
Ig1
∑ I2gn
2
Ig1
= 1.61
Fattore di potenza (Power Factor, PF)
Ug ⋅ Ig1 ⋅ cosϕ1
potenza attiva
PF =
=
potenza apparente
Ug ⋅ Ig
Ug ⋅ Ig1 ⋅ cosϕ1
potenza attiva
PF =
=
= 0.53
potenza apparente
Ug ⋅ Ig
Alimentatore con Power Factor Corrector
Alimentatore con Power Factor Corrector
ug
Uo
-
-
Convertitore Filtro
cc/cc
Page 15
+
+
Ui
Alimentatore con Power Factor Corrector
ug
PFC
Alimentatore con Power Factor Corrector
+
+
Ui
Uo
-
-
ug
Power
Convertitore Filtro
Factor
cc/cc
Corrector
PFC
+
+
Ui
Uo
-
-
Power
Convertitore Filtro
Factor
cc/cc
Corrector
Caratteristiche del PFC
• Migliora il comportamento lato rete
– riduce la distorsione armonica
– aumenta il fattore di potenza
Alimentatore con Power Factor Corrector
ug
PFC
Alimentatore con Power Factor Corrector
+
+
Ui
Uo
-
-
ug
Power
Convertitore Filtro
Factor
cc/cc
Corrector
PFC
+
+
Ui
Uo
-
-
Power
Convertitore Filtro
Factor
cc/cc
Corrector
Caratteristiche del PFC
Caratteristiche del PFC
• Richiede uno stadio switching anche in ingresso
– abbassa il rendimento
– complica il circuito
• Puó essere necessario per garantire
la conformitá alle normative che
limitano l’emissione armonica
Caratteristiche del PFC
Forme d’onda tipiche dei Power Factor Corrector
• Migliora il comportamento lato rete
– riduce la distorsione armonica
– aumenta il fattore di potenza
• Richiede uno stadio switching anche in
ingresso
– abbassa il rendimento
– complica il circuito
• Puó essere necessario per garantire la
conformitá alle normative che limitano
l’emissione armonica
Page 16
Forme d’onda tipiche dei Power Factor Corrector
V
Forme d’onda tipiche dei Power Factor Corrector
V
Ug = 220 V
ug
310
310
Ig ≅ Ig1 = 1 A
Ug = 220 V
ug
1.4
20
10
A
t [ms]
20
10
ig
t [ms]
Conclusioni
Forme d’onda tipiche dei Power Factor Corrector
V
310
A
Ig ≅ Ig1 = 1 A
Ug = 220 V
ug
Principali problematiche degli alimentatori
elettronici
P ≅ 220 W
1.4
• Rendimento e dissipazione di
potenza
• Ingombro e peso
• Impatto sulla rete di alimentazione
• Impatto sull’ambiente (EMC)
• Costo
• Costo
• Costo ….
20
10
ig
t [ms]
THD = 0.035
PF = 0.996
Page 17