Elettronica di Potenza - Sistemi di elettronica di potenza - (Cap. 1) | Knowledge Center Didattica | Knowledge Center Didattica
Crea sito

Elettronica di Potenza - Sistemi di elettronica di potenza - (Cap. 1)

1.1 Introduzione

L'elettronica di potenza ha l'obiettivo di gestire e controllare il flusso di energia elettrica fornita dalla rete elettrica, monofase o trifase, adattando la potenza di uscita (tensione e corrente) in maniera ottimale per il carico.

Fig. 1.1 : sistema di conversione di potenza

Considerando l'uscita del sistema di potenza come un generatore di tensione, la corrente di uscita e lo sfasamento tra questa e la tensione dipendono dalle caratteristiche del carico. Normalmente un controllore, in anello chiuso, confronta l'uscita del sistema di conversione con un valore desiderato (riferimento) e l'errore tra i due è reso minimo dal controllore stesso.

Il flusso di potenza attraverso questo sistema può essere reversibile, cioè può essere trasferito dall'ingresso all'uscita o viceversa, a seconda della tipologia di convertitore e dell'applicazione usata.

1.2 Differenze tra Elettronica lineare ed Elettronica di potenza

In generale, in ogni processo di conversione di potenza ci si preoccupa a limitare le perdite di potenza per aumentare il rendimento energetico. Tutto ciò deve far fronte al costo dell'energia, alla difficoltà di asportare il calore dissipato per effetto Joule e alle dimensioni dei dispositivi presenti nel circuito.

Supponiamo di considerare l'alimentatore in continua (dc: direct current) della fig. 1.2 che fornisce ad un carico una tensione regolata :

Al fine di isolare elettricamente l'ingresso con l'uscita, un trasformatore a frequenza di rete interfaccia la rete elettrica con il resto del circuito riducendo opportunamente la tensione di linea. In fase progettuale si dimensiona opportunamente il rapporto spire del trasformatore in modo tale che il valore minimo di , istante per istante, risulti sempre maggiore della tensione d'uscita desiderata . Il raddrizzatore converte la corrente alternata (ac: alternate current) di uscita dall'avvolgimento secondario del trasformatore in corrente continua, mentre il condensatore di filtro completa l'opera riducendo il ripple della tensione continua . Nello stadio successivo, un transistore è interposto tra e al fine di sostenere la loro differenza di tensione e provvedere alla regolazione della tensione di uscita. Esso funziona in zona attiva come un resistore variabile e ne consegue un basso rendimento energetico.

Nell'elettronica di potenza la tensione di linea è convertita in una tensione di uscita continua senza usare un trasformatore alla frequenza di rete, come si nota dalla fig. 1.3a. Facendo funzionare il transistore come un interruttore (completamente on o completamente off) ad una frequenza piuttosto elevata (per esempio a 300 KHz), la tensione continua è convertita in una tensione alternata con la frequenza uguale a quella di commutazione. Ciò permette di usare un trasformatore ad alta frequenza per abbassare la tensione e per ottenere un isolamento elettrico.

Per un'analisi più facilitata si consideri il circuito semplificato della figura 1.3b dove si è tralasciato il trasformatore ad alta frequenza.

A condizione che , possiamo affermare che l'insieme del diodo-transistore può essere rappresentato con un ipotetico interruttore a due posizioni, come si evince dalla fig. 1.4a. L'interruttore è nella posizione a durante il tempo (transistore in stato on) e in posizione b durante il tempo (transistore in stato off). Di conseguenza è uguale rispettivamente a nel tempo  ed è uguale a zero nel tempo .

Poniamo

dove è il valore medio (componente continua) di e è la tensione istantanea di ripple, che ha un valore medio nullo, fig. 1.4c.

Gli elementi L-C (induttore-condensatore) formano un filtro passa-basso che riduce il ripple nella tensione di uscita e lascia passare solo il valore medio della tensione di ingresso, per cui si ha

dove è il valore medio della tensione di uscita. Dall'andamento ripetitivo della fig. 1.4b, si vede che

 Il rapporto prende il nome di duty cycle dell'interruttore, mediante il quale è possibile regolare se varia.

Esiste certamente una perdita di energia ogni volta che il transistore passa da uno stato all'altro attraversando la sua zona attiva, ma essa è decisamente piccola. Inoltre, l'energia persa a causa delle commutazioni è direttamente proporzionale alla frequenza di commutazione ed è normalmente molto inferiore a quella che si ha negli alimentatori con regolazione lineare.

Si dimostra che è composta da un valore medio di tensione (componente continua) e da componenti armoniche che hanno una frequenza multipla di quella di commutazione (fig. 1.4d); se questa è elevata, le componenti alternate possono essere eliminate con un piccolo filtro per ottenere la tensione continua desiderata. La scelta della frequenza di commutazione è determinata da un compromesso tra le perdite di commutazione nel transistore, che crescono con l'aumentare della frequenza, e il costo di trasformatore e filtro, che invece diminuisce.

Pages: 1 2