Elettronica di potenza - Power electronics

Una torre per valvole a tiristori HVDC alta 16,8 m in una sala del Baltic Cable AB in Svezia

Un caricabatterie è un esempio di un pezzo di elettronica di potenza

Un alimentatore per PC è un esempio di un pezzo di elettronica di potenza, sia all'interno che all'esterno dell'armadio

L'elettronica di potenza è l'applicazione dell'elettronica allo stato solido al controllo e alla conversione dell'energia elettrica.

I primi dispositivi elettronici ad alta potenza sono stati realizzati utilizzando valvole ad arco di mercurio . Nei sistemi moderni, la conversione viene eseguita con dispositivi di commutazione a semiconduttore come diodi , tiristori e transistor di potenza come MOSFET di potenza e IGBT . A differenza dei sistemi elettronici che si occupano della trasmissione e dell'elaborazione di segnali e dati, nell'elettronica di potenza vengono elaborate notevoli quantità di energia elettrica. Un convertitore AC/DC ( raddrizzatore ) è il dispositivo elettronico di potenza più tipico che si trova in molti dispositivi elettronici di consumo, ad esempio televisori , personal computer , caricabatterie , ecc. La gamma di potenza è tipicamente da decine di watt a diverse centinaia di watt. Nell'industria, un'applicazione comune è l' azionamento a velocità variabile (VSD) utilizzato per controllare un motore a induzione . La gamma di potenza dei VSD inizia da poche centinaia di watt e termina a decine di megawatt .

I sistemi di conversione di potenza possono essere classificati in base al tipo di potenza in ingresso e in uscita

• AC a DC ( raddrizzatore )
• CC a CA ( invertitore )
• DC-DC ( convertitore DC-DC )
• CA a CA ( convertitore CA a CA )

Storia

L'elettronica di potenza è iniziata con lo sviluppo del raddrizzatore ad arco di mercurio. Inventato da Peter Cooper Hewitt nel 1902, veniva utilizzato per convertire la corrente alternata (AC) in corrente continua (DC). Dagli anni '20 in poi, la ricerca continuò sull'applicazione dei tiratroni e delle valvole ad arco di mercurio controllate dalla rete alla trasmissione di potenza. Uno Lamm ha sviluppato una valvola al mercurio con elettrodi di classificazione che le rendono adatte alla trasmissione di energia in corrente continua ad alta tensione . Nel 1933 furono inventati i raddrizzatori al selenio.

Julius Edgar Lilienfeld propose il concetto di transistor ad effetto di campo nel 1926, ma a quel tempo non era possibile costruire effettivamente un dispositivo funzionante. Nel 1947, il transistor bipolare a contatto di punto fu inventato da Walter H. Brattain e John Bardeen sotto la direzione di William Shockley presso i Bell Labs . Nel 1948 l'invenzione di Shockley del transistor a giunzione bipolare (BJT) ha migliorato la stabilità e le prestazioni dei transistor e ha ridotto i costi. Negli anni '50 divennero disponibili diodi a semiconduttore di potenza superiore e iniziarono a sostituire i tubi a vuoto . Nel 1956 il raddrizzatore controllato al silicio (SCR) è stato introdotto da General Electric , ampliando notevolmente la gamma di applicazioni dell'elettronica di potenza. Negli anni '60, la migliorata velocità di commutazione dei transistor a giunzione bipolare aveva consentito l'uso di convertitori CC/CC ad alta frequenza.

RD Middlebrook ha dato importanti contributi all'elettronica di potenza. Nel 1970, ha fondato il gruppo Power Electronics al Caltech . Ha sviluppato il metodo di analisi della media nello spazio degli stati e altri strumenti cruciali per la moderna progettazione dell'elettronica di potenza.

MOSFET di potenza

Una svolta nell'elettronica di potenza è arrivata con l'invenzione del MOSFET (transistor ad effetto di campo metallo-ossido-semiconduttore) di Mohamed Atalla e Dawon Kahng presso i Bell Labs nel 1959. Generazioni di transistor MOSFET hanno permesso ai progettisti di potenza di raggiungere livelli di prestazioni e densità impossibili con transistor bipolari. A causa dei miglioramenti nella tecnologia MOSFET (inizialmente utilizzata per produrre circuiti integrati ), il MOSFET di potenza è diventato disponibile negli anni '70.

Nel 1969, Hitachi ha introdotto il primo MOSFET di potenza verticale, che in seguito sarebbe stato conosciuto come VMOS (V-groove MOSFET). Dal 1974, Yamaha , JVC , Pioneer Corporation , Sony e Toshiba hanno iniziato a produrre amplificatori audio con MOSFET di potenza. International Rectifier ha introdotto un MOSFET di potenza da 25 A e 400 V nel 1978. Questo dispositivo consente il funzionamento a frequenze più elevate rispetto a un transistor bipolare, ma è limitato alle applicazioni a bassa tensione.

Il MOSFET di potenza è il dispositivo di potenza più comune al mondo, grazie alla sua bassa potenza di azionamento del gate, alla velocità di commutazione rapida, alla capacità di parallelismo avanzato semplice, all'ampia larghezza di banda , alla robustezza, all'azionamento facile, alla polarizzazione semplice, alla facilità di applicazione e alla facilità di riparazione. Dispone di un'ampia gamma di applicazioni elettroniche di potenza, come apparecchiature informatiche portatili , circuiti integrati di alimentazione, telefoni cellulari , computer portatili e l' infrastruttura di comunicazione che consente Internet .

Nel 1982 è stato introdotto il transistor bipolare a gate isolato (IGBT). È diventato ampiamente disponibile negli anni '90. Questo componente ha la capacità di gestione della potenza del transistor bipolare e i vantaggi dell'azionamento del gate isolato del MOSFET di potenza.

Dispositivi

Le capacità e l'economia del sistema di elettronica di potenza sono determinate dai dispositivi attivi disponibili. Le loro caratteristiche e limitazioni sono un elemento chiave nella progettazione di sistemi di elettronica di potenza. In precedenza, la valvola ad arco di mercurio , i raddrizzatori termoionici a diodi ad alto vuoto e pieni di gas e dispositivi innescati come il thyratron e l' ignitron erano ampiamente utilizzati nell'elettronica di potenza. Poiché le valutazioni dei dispositivi a stato solido sono migliorate sia in termini di tensione che di capacità di gestione della corrente, i dispositivi a vuoto sono stati quasi completamente sostituiti da dispositivi a stato solido.

I dispositivi elettronici di potenza possono essere utilizzati come interruttori o come amplificatori. Un interruttore ideale è aperto o chiuso e quindi non dissipa potenza; resiste a una tensione applicata e non fa passare corrente o fa passare qualsiasi quantità di corrente senza cadute di tensione. I dispositivi a semiconduttore utilizzati come interruttori possono approssimare questa proprietà ideale e quindi la maggior parte delle applicazioni di elettronica di potenza si basa sull'accensione e lo spegnimento di dispositivi di commutazione, il che rende i sistemi molto efficienti poiché viene sprecata pochissima energia nell'interruttore. Al contrario, nel caso dell'amplificatore, la corrente attraverso il dispositivo varia continuamente secondo un ingresso controllato. La tensione e la corrente ai terminali del dispositivo seguono una linea di carico e la dissipazione di potenza all'interno del dispositivo è grande rispetto alla potenza fornita al carico.

Diversi attributi determinano come vengono utilizzati i dispositivi. Dispositivi come i diodi conducono quando viene applicata una tensione diretta e non hanno alcun controllo esterno dell'inizio della conduzione. I dispositivi di potenza come raddrizzatori e tiristori controllati al silicio (così come la valvola al mercurio e il thyratron ) consentono il controllo dell'inizio della conduzione, ma si basano sull'inversione periodica del flusso di corrente per spegnerli. Dispositivi come i tiristori di spegnimento del gate, i transistor BJT e MOSFET forniscono un controllo completo della commutazione e possono essere attivati ​​o disattivati ​​indipendentemente dal flusso di corrente che li attraversa. I dispositivi a transistor consentono anche un'amplificazione proporzionale, ma questa è usata raramente per sistemi con potenza superiore a poche centinaia di watt. Anche le caratteristiche dell'ingresso di controllo di un dispositivo influiscono notevolmente sul design; a volte l'ingresso di controllo è ad altissima tensione rispetto a terra e deve essere pilotato da una sorgente isolata.

Poiché l'efficienza è un vantaggio in un convertitore elettronico di potenza, le perdite generate da un dispositivo elettronico di potenza dovrebbero essere le più basse possibile.

I dispositivi variano nella velocità di commutazione. Alcuni diodi e tiristori sono adatti per velocità relativamente basse e sono utili per la commutazione e il controllo della frequenza di rete ; alcuni tiristori sono utili a pochi kilohertz. Dispositivi come MOSFET e BJT possono passare da decine di kilohertz fino a pochi megahertz nelle applicazioni di potenza, ma con livelli di potenza decrescenti. I dispositivi a tubi sottovuoto dominano le applicazioni ad alta potenza (centinaia di kilowatt) ad altissima frequenza (centinaia o migliaia di megahertz). I dispositivi di commutazione più veloci riducono al minimo l'energia persa nelle transizioni da acceso a spento e viceversa, ma possono creare problemi con le interferenze elettromagnetiche irradiate. I circuiti di azionamento del gate (o equivalenti) devono essere progettati per fornire una corrente di azionamento sufficiente per raggiungere la piena velocità di commutazione possibile con un dispositivo. Un dispositivo senza una spinta sufficiente per commutare rapidamente può essere distrutto da un riscaldamento eccessivo.

I dispositivi pratici hanno una caduta di tensione diversa da zero e dissipano potenza quando sono accesi e impiegano del tempo per passare attraverso una regione attiva fino a raggiungere lo stato "on" o "off". Queste perdite sono una parte significativa della potenza totale persa in un convertitore.

Anche la gestione della potenza e la dissipazione dei dispositivi è un fattore critico nella progettazione. I dispositivi elettronici di potenza potrebbero dover dissipare decine o centinaia di watt di calore di scarto, anche commutando nel modo più efficiente possibile tra stati conduttivi e non conduttivi. Nella modalità di commutazione, la potenza controllata è molto maggiore della potenza dissipata nell'interruttore. La caduta di tensione diretta nello stato di conduzione si traduce in calore che deve essere dissipato. I semiconduttori ad alta potenza richiedono dissipatori di calore specializzati o sistemi di raffreddamento attivi per gestire la loro temperatura di giunzione ; semiconduttori esotici come il carburo di silicio hanno un vantaggio rispetto al silicio lineare in questo senso, e il germanio, una volta l'elemento principale dell'elettronica a stato solido, è ora poco utilizzato a causa delle sue proprietà sfavorevoli alle alte temperature.

Esistono dispositivi a semiconduttore con rating fino a pochi kilovolt in un singolo dispositivo. Laddove è necessario controllare una tensione molto alta, è necessario utilizzare più dispositivi in ​​serie, con reti per equalizzare la tensione su tutti i dispositivi. Anche in questo caso, la velocità di commutazione è un fattore critico poiché il dispositivo di commutazione più lento dovrà sopportare una quota sproporzionata della tensione complessiva. Una volta le valvole al mercurio erano disponibili con valori nominali fino a 100 kV in una singola unità, semplificando la loro applicazione nei sistemi HVDC .

La corrente nominale di un dispositivo a semiconduttore è limitata dal calore generato all'interno degli stampi e dal calore sviluppato nella resistenza dei conduttori di interconnessione. I dispositivi a semiconduttore devono essere progettati in modo che la corrente sia distribuita uniformemente all'interno del dispositivo attraverso le sue giunzioni interne (o canali); una volta che si sviluppa un "punto caldo", gli effetti di rottura possono distruggere rapidamente il dispositivo. Alcuni SCR sono disponibili con correnti nominali fino a 3000 ampere in una singola unità.

Convertitori DC/AC (inverter)

I convertitori da CC a CA producono una forma d'onda di uscita CA da una sorgente CC. Le applicazioni includono azionamenti a velocità variabile (ASD), gruppi di continuità (UPS), sistemi di trasmissione AC flessibile (FACTS), compensatori di tensione e inverter fotovoltaici. Le topologie per questi convertitori possono essere suddivise in due categorie distinte: inverter con sorgente di tensione e inverter con sorgente di corrente. Gli inverter con sorgente di tensione (VSI) sono chiamati così perché l'uscita controllata in modo indipendente è una forma d'onda di tensione. Allo stesso modo, gli inverter a sorgente di corrente (CSI) sono distinti in quanto l'uscita CA controllata è una forma d'onda di corrente.

La conversione dell'alimentazione da CC a CA è il risultato di dispositivi di commutazione di potenza, che sono comunemente interruttori di potenza a semiconduttore completamente controllabili. Le forme d'onda in uscita sono quindi costituite da valori discreti, producendo transizioni veloci piuttosto che uniformi. Per alcune applicazioni, è adeguata anche un'approssimazione approssimativa della forma d'onda sinusoidale della potenza CA. Laddove è richiesta una forma d'onda quasi sinusoidale, i dispositivi di commutazione vengono azionati molto più velocemente della frequenza di uscita desiderata e il tempo che trascorrono in entrambi gli stati è controllato in modo che l'uscita media sia quasi sinusoidale. Le tecniche di modulazione comuni includono la tecnica carrier-based, o Pulse-width modulation , la tecnica space-vector e la tecnica selettiva-armonica.

Gli inverter con sorgente di tensione hanno usi pratici in applicazioni sia monofase che trifase. I VSI monofase utilizzano configurazioni half-bridge e full-bridge e sono ampiamente utilizzati per alimentatori, UPS monofase ed elaborate topologie ad alta potenza quando utilizzati in configurazioni multicella. I VSI trifase vengono utilizzati in applicazioni che richiedono forme d'onda di tensione sinusoidale, come ASD, UPS e alcuni tipi di dispositivi FACTS come STATCOM . Sono utilizzati anche in applicazioni dove sono richieste tensioni arbitrarie come nel caso di filtri di potenza attiva e compensatori di tensione.

Gli inverter con sorgente di corrente vengono utilizzati per produrre una corrente di uscita CA da un'alimentazione di corrente CC. Questo tipo di inverter è pratico per applicazioni trifase in cui sono richieste forme d'onda di tensione di alta qualità.

Una classe relativamente nuova di inverter, chiamata inverter multilivello, ha riscosso un vasto interesse. Il normale funzionamento di CSI e VSI può essere classificato come inverter a due livelli, poiché gli interruttori di alimentazione si collegano al bus CC positivo o negativo. Se fossero disponibili più di due livelli di tensione ai terminali di uscita dell'inverter, l'uscita CA potrebbe approssimare meglio un'onda sinusoidale. È per questo motivo che gli inverter multilivello, sebbene più complessi e costosi, offrono prestazioni più elevate.

Ogni tipo di inverter si differenzia per i collegamenti CC utilizzati e per la necessità o meno di diodi di svincolamento . Entrambi possono essere fatti funzionare in modalità onda quadra o modulazione di larghezza di impulso (PWM), a seconda dell'uso previsto. La modalità ad onda quadra offre semplicità, mentre il PWM può essere implementato in diversi modi e produce forme d'onda di qualità superiore.

Gli inverter con sorgente di tensione (VSI) alimentano la sezione dell'inverter di uscita da una sorgente a tensione approssimativamente costante.

La qualità desiderata della forma d'onda di uscita della corrente determina quale tecnica di modulazione deve essere selezionata per una data applicazione. L'output di un VSI è composto da valori discreti. Per ottenere una forma d'onda di corrente uniforme, i carichi devono essere induttivi alle frequenze armoniche selezionate. Senza una sorta di filtraggio induttivo tra la sorgente e il carico, un carico capacitivo farà sì che il carico riceva una forma d'onda di corrente discontinua, con picchi di corrente grandi e frequenti.

Esistono tre tipi principali di VSI:

1. Inverter semiponte monofase
2. Inverter monofase a ponte intero
3. Inverter fonte di tensione trifase

Inverter semiponte monofase

Figura 8: L'ingresso CA per un ASD.

FIGURA 9: Inverter sorgente di tensione a mezzo ponte monofase

Gli inverter a mezzo ponte con sorgente di tensione monofase, sono pensati per applicazioni a bassa tensione e sono comunemente usati negli alimentatori. La Figura 9 mostra lo schema del circuito di questo inverter.

Le armoniche di corrente di basso ordine vengono iniettate di nuovo alla tensione di origine dal funzionamento dell'inverter. Ciò significa che in questo progetto sono necessari due grandi condensatori per scopi di filtraggio. Come illustra la Figura 9, può essere acceso un solo interruttore alla volta in ciascuna gamba dell'inverter. Se entrambi gli interruttori di una gamba erano accesi contemporaneamente, la sorgente CC andrà in cortocircuito.

Gli inverter possono utilizzare diverse tecniche di modulazione per controllare i loro schemi di commutazione. La tecnica PWM basata sulla portante confronta la forma d'onda di uscita CA, v _c , con un segnale di tensione portante, v _Δ . Quando v _c è maggiore di v _Δ , S+ è attivo e quando v _c è minore di v _Δ , S- è attivo. Quando l'uscita AC è a frequenza fc con la sua ampiezza alla v _c , e il segnale portante triangolare è a frequenza f _Δ con la sua ampiezza alla v _Δ , il PWM diventa un caso speciale sinusoidale del PWM base portante. Questo caso è chiamato modulazione di larghezza di impulso sinusoidale (SPWM). Per questo, l'indice di modulazione, o rapporto di modulazione di ampiezza, è definito come m _a = v _c /v _∆ .

La frequenza portante normalizzata, o rapporto di modulazione di frequenza, viene calcolata utilizzando l'equazione m _f = f _∆ /f _c .

Se la regione di sovramodulazione, ma, supera uno, si osserverà una tensione di uscita CA fondamentale più elevata, ma a scapito della saturazione. Per SPWM, le armoniche della forma d'onda in uscita sono a frequenze e ampiezze ben definite. Ciò semplifica la progettazione dei componenti di filtraggio necessari per l'iniezione di armoniche di corrente di basso ordine dal funzionamento dell'inverter. L'ampiezza massima di uscita in questa modalità di funzionamento è la metà della tensione della sorgente. Se l'ampiezza massima di uscita, m _a , supera 3,24, la forma d'onda di uscita dell'inverter diventa un'onda quadra.

Come era vero per la modulazione di larghezza di impulso (PWM), entrambi gli interruttori in una gamba per la modulazione a onda quadra non possono essere attivati ​​contemporaneamente, poiché ciò causerebbe un cortocircuito attraverso la sorgente di tensione. Lo schema di commutazione richiede che sia S+ che S- siano accesi per un mezzo ciclo del periodo di uscita CA. L'ampiezza di uscita AC fondamentale è uguale a v _o1 = v _aN = 2v _i /π .

Le sue armoniche hanno un'ampiezza di v _oh = v _o1 /h .

Pertanto, la tensione di uscita CA non è controllata dall'inverter, ma piuttosto dall'ampiezza della tensione di ingresso CC dell'inverter.

L'utilizzo dell'eliminazione selettiva delle armoniche (SHE) come tecnica di modulazione consente alla commutazione dell'inverter di eliminare selettivamente le armoniche intrinseche. Anche la componente fondamentale della tensione di uscita CA può essere regolata entro un intervallo desiderabile. Poiché la tensione di uscita CA ottenuta da questa tecnica di modulazione ha simmetria d'onda metà dispari e quarto dispari, anche le armoniche non esistono. Eventuali armoniche intrinseche dispari (N-1) indesiderate dalla forma d'onda di uscita possono essere eliminate.

Inverter monofase a ponte intero

FIGURA 3: Inverter full-bridge con sorgente di tensione monofase

FIGURA 4: Segnali portanti e modulanti per la tecnica di modulazione a larghezza di impulso bipolare

L'inverter a ponte intero è simile all'inverter a mezzo ponte, ma ha una gamba aggiuntiva per collegare il punto neutro al carico. La Figura 3 mostra lo schema circuitale dell'inverter a ponte intero con sorgente di tensione monofase.

Per evitare di cortocircuitare la sorgente di tensione, S1+ e S1- non possono essere accesi contemporaneamente e anche S2+ e S2- non possono essere accesi contemporaneamente. Qualsiasi tecnica di modulazione utilizzata per la configurazione a ponte intero dovrebbe avere l'interruttore superiore o inferiore di ciascuna gamba in un dato momento. A causa della gamba extra, l'ampiezza massima della forma d'onda di uscita è Vi ed è due volte più grande dell'ampiezza di uscita massima ottenibile per la configurazione a mezzo ponte.

Gli stati 1 e 2 della tabella 2 vengono utilizzati per generare la tensione di uscita CA con SPWM bipolare. La tensione di uscita AC può assumere solo due valori, Vi o –Vi. Per generare questi stessi stati utilizzando una configurazione a semiponte, è possibile utilizzare una tecnica basata su portante. S+ acceso per il semiponte corrisponde a S1+ e S2- acceso per il ponte intero. Allo stesso modo, l'attivazione di S- per il semiponte corrisponde a S1- e l'attivazione di S2+ per l'intero ponte. La tensione di uscita per questa tecnica di modulazione è più o meno sinusoidale, con una componente fondamentale che ha un'ampiezza nella regione lineare minore o uguale a uno v _o1 =v _ab1 = v _i  • m _a .

A differenza della tecnica PWM bipolare, l'approccio unipolare utilizza gli stati 1, 2, 3 e 4 della Tabella 2 per generare la sua tensione di uscita CA. Pertanto, la tensione di uscita AC può assumere i valori Vi, 0 o –V [1]i. Per generare questi stati sono necessari due segnali modulanti sinusoidali, Vc e –Vc, come mostrato in Figura 4.

Vc viene utilizzato per generare VaN, mentre –Vc viene utilizzato per generare VbN. La seguente relazione è chiamata SPWM unipolare basata su portante v _o1 =2 • v _aN1 = v _i  • m _a .

Le tensioni di fase VaN e VbN sono identiche, ma sfasate di 180 gradi l'una rispetto all'altra. La tensione di uscita è uguale alla differenza delle due tensioni di fase e non contiene armoniche pari. Pertanto, se si prende mf, anche le armoniche della tensione di uscita AC appariranno a frequenze dispari normalizzate, fh. Queste frequenze sono centrate sul doppio del valore della frequenza portante normalizzata. Questa particolare caratteristica consente componenti di filtraggio più piccoli quando si cerca di ottenere una forma d'onda di uscita di qualità superiore.

Come nel caso dell'SHE a mezzo ponte, la tensione di uscita CA non contiene armoniche pari a causa della sua simmetria d'onda metà dispari e quarto dispari.

Inverter fonte di tensione trifase

FIGURA 5: Schema del circuito dell'inverter con sorgente di tensione trifase

FIGURA 6: Funzionamento ad onda quadra trifase a) Stato interruttore S1 b) Stato interruttore S3 c) Uscita S1 d) Uscita S3

I VSI monofase sono utilizzati principalmente per applicazioni a bassa potenza, mentre i VSI trifase coprono applicazioni a media e alta potenza. La Figura 5 mostra lo schema del circuito per un VSI trifase.

Gli interruttori in una delle tre gambe dell'inverter non possono essere disattivati ​​contemporaneamente a causa di ciò, le tensioni dipendono dalla rispettiva polarità della corrente di linea. Gli stati 7 e 8 producono tensioni di linea AC zero, che si traducono in correnti di linea AC che ruotano liberamente attraverso i componenti superiore o inferiore. Tuttavia, le tensioni di linea per gli stati da 1 a 6 producono una tensione di linea CA costituita dai valori discreti di Vi, 0 o –Vi.

Per SPWM trifase, vengono utilizzati tre segnali modulanti sfasati di 120 gradi l'uno rispetto all'altro per produrre tensioni di carico sfasate. Per preservare le caratteristiche PWM con un singolo segnale portante, la frequenza portante normalizzata, mf, deve essere un multiplo di tre. Ciò mantiene la grandezza delle tensioni di fase identiche, ma sfasate tra loro di 120 gradi. La massima ampiezza della tensione di fase raggiungibile nella regione lineare, ma minore o uguale a uno, è v _fase = v _i  / 2 . L'ampiezza massima della tensione di linea raggiungibile è V _ab1 = v _ab  • √ 3  / 2

L'unico modo per controllare la tensione di carico è modificare la tensione CC in ingresso.

Inverter fonte di corrente

FIGURA 7: Inverter sorgente di corrente trifase

Figura 8: Forme d'onda di modulazione di larghezza di impulso sincronizzata per un inverter con sorgente di corrente trifase a) Segnali portanti e modulanti b) Stato S1 c) Stato S3 d) Corrente di uscita

Figura 9: Rappresentazione del vettore spaziale negli inverter con sorgente di corrente

Gli inverter con sorgente di corrente convertono la corrente CC in una forma d'onda di corrente CA. Nelle applicazioni che richiedono forme d'onda AC sinusoidali, l'ampiezza, la frequenza e la fase dovrebbero essere tutte controllate. I CSI hanno elevate variazioni di corrente nel tempo, quindi i condensatori sono comunemente impiegati sul lato CA, mentre gli induttori sono comunemente impiegati sul lato CC. A causa dell'assenza di diodi a ruota libera, il circuito di potenza è ridotto in dimensioni e peso e tende ad essere più affidabile dei VSI. Sebbene siano possibili topologie monofase, i CSI trifase sono più pratici.

Nella sua forma più generalizzata, un CSI trifase impiega la stessa sequenza di conduzione di un raddrizzatore a sei impulsi. In qualsiasi momento, sono attivi solo un interruttore a catodo comune e un interruttore ad anodo comune.

Di conseguenza, le correnti di linea assumono valori discreti di –ii, 0 e ii. Gli stati vengono scelti in modo tale che venga emessa una forma d'onda desiderata e vengano utilizzati solo stati validi. Questa selezione si basa su tecniche di modulazione, che includono il PWM basato sulla portante, l'eliminazione selettiva delle armoniche e le tecniche del vettore spaziale.

Le tecniche basate sulla portante utilizzate per i VSI possono essere implementate anche per i CSI, risultando in correnti di linea CSI che si comportano allo stesso modo delle tensioni di linea VSI. Il circuito digitale utilizzato per la modulazione dei segnali contiene un generatore di impulsi di commutazione, un generatore di impulsi di cortocircuito, un distributore di impulsi di cortocircuito e un combinatore di impulsi di commutazione e cortocircuito. Viene prodotto un segnale di gating basato su una corrente portante e tre segnali modulanti.

Un impulso di cortocircuito viene aggiunto a questo segnale quando nessun interruttore superiore e nessun interruttore inferiore sono controllati, causando l'uguaglianza delle correnti RMS in tutte le gambe. Gli stessi metodi sono utilizzati per ciascuna fase, tuttavia, le variabili di commutazione sono sfasate di 120 gradi l'una rispetto all'altra e gli impulsi di corrente sono spostati di un semiciclo rispetto alle correnti di uscita. Se viene utilizzata una portante triangolare con segnali modulanti sinusoidali, si dice che il CSI utilizza la modulazione di larghezza di impulso sincronizzata (SPWM). Se viene utilizzata la sovramodulazione completa insieme a SPWM, si dice che l'inverter funziona in onda quadra.

Anche la seconda categoria di modulazione CSI, SHE, è simile alla sua controparte VSI. Utilizzando i segnali di gating sviluppati per un VSI e una serie di segnali di corrente sinusoidale di sincronizzazione, si ottengono impulsi di cortocircuito distribuiti simmetricamente e, quindi, schemi di gating simmetrici. Ciò consente di eliminare qualsiasi numero arbitrario di armoniche. Consente inoltre il controllo della corrente di linea fondamentale attraverso la corretta selezione degli angoli di commutazione primari. I modelli di commutazione ottimali devono avere una simmetria a quarto d'onda e a semionda, nonché una simmetria di circa 30 gradi e 150 gradi. I modelli di commutazione non sono mai consentiti tra 60 gradi e 120 gradi. L'ondulazione di corrente può essere ulteriormente ridotta con l'uso di condensatori di uscita più grandi o aumentando il numero di impulsi di commutazione.

La terza categoria, la modulazione basata sul vettore spaziale, genera correnti di linea di carico PWM che in media sono uguali alle correnti di linea di carico. Gli stati di commutazione validi e le selezioni temporali vengono effettuate digitalmente in base alla trasformazione del vettore spaziale. I segnali di modulazione sono rappresentati come un vettore complesso utilizzando un'equazione di trasformazione. Per segnali sinusoidali trifase bilanciati, questo vettore diventa un modulo fisso, che ruota ad una frequenza, . Questi vettori spaziali vengono quindi utilizzati per approssimare il segnale modulante. Se il segnale è tra vettori arbitrari, i vettori vengono combinati con i vettori zero I7, I8 o I9. Le seguenti equazioni vengono utilizzate per garantire che le correnti generate e i vettori di corrente siano mediamente equivalenti.

Inverter multilivello

FIGURA 10 : Inverter a tre livelli con bloccaggio neutro

Una classe relativamente nuova chiamata inverter multilivello ha riscosso un vasto interesse. Il normale funzionamento di CSI e VSI può essere classificato come inverter a due livelli perché gli interruttori di alimentazione si collegano al bus CC positivo o negativo. Se fossero disponibili più di due livelli di tensione ai terminali di uscita dell'inverter, l'uscita CA potrebbe approssimare meglio un'onda sinusoidale. Per questo motivo gli inverter multilivello, anche se più complessi e costosi, offrono prestazioni più elevate. Un inverter con morsetto neutro a tre livelli è mostrato nella Figura 10.

I metodi di controllo per un inverter a tre livelli consentono solo a due interruttori dei quattro interruttori in ciascuna gamba di cambiare contemporaneamente gli stati di conduzione. Ciò consente una commutazione regolare ed evita il passaggio attraverso la selezione solo di stati validi. Si può anche notare che poiché la tensione del bus CC è condivisa da almeno due valvole di potenza, i loro valori di tensione possono essere inferiori a una controparte a due livelli.

Per le topologie multilivello vengono utilizzate tecniche di modulazione basate su vettori e vettori spaziali. I metodi per queste tecniche seguono quelli degli inverter classici, ma con maggiore complessità. La modulazione del vettore spaziale offre un numero maggiore di vettori a tensione fissa da utilizzare nell'approssimazione del segnale di modulazione e quindi consente di realizzare strategie PWM del vettore spaziale più efficaci al costo di algoritmi più elaborati. A causa della maggiore complessità e del numero di dispositivi a semiconduttore, gli inverter multilivello sono attualmente più adatti per applicazioni ad alta tensione ad alta potenza. Questa tecnologia riduce le armoniche quindi migliora l'efficienza complessiva dello schema.

Convertitori AC/AC

La conversione dell'alimentazione CA in alimentazione CA consente il controllo della tensione, della frequenza e della fase della forma d'onda applicata a un carico da un sistema CA fornito. Le due categorie principali che possono essere utilizzate per separare i tipi di convertitori sono se la frequenza della forma d'onda viene modificata. I convertitori CA/CA che non consentono all'utente di modificare le frequenze sono noti come regolatori di tensione CA o regolatori CA. I convertitori CA che consentono all'utente di modificare la frequenza sono semplicemente indicati come convertitori di frequenza per la conversione da CA a CA. Sotto i convertitori di frequenza ci sono tre diversi tipi di convertitori che vengono generalmente utilizzati: cicloconvertitore, convertitore a matrice, convertitore di collegamento CC (noto anche come convertitore CA/CC/CA).

Regolatore di tensione CA: lo scopo di un controller di tensione CA, o regolatore CA, è di variare la tensione RMS attraverso il carico a una frequenza costante. Tre metodi di controllo generalmente accettati sono il controllo ON/OFF, il controllo dell'angolo di fase e il controllo chopper AC con modulazione di larghezza di impulso (controllo chopper AC PWM). Tutti e tre questi metodi possono essere implementati non solo nei circuiti monofase, ma anche nei circuiti trifase.

• Controllo ON/OFF: tipicamente utilizzato per il riscaldamento di carichi o il controllo della velocità dei motori, questo metodo di controllo prevede l'accensione dell'interruttore per n cicli integrali e lo spegnimento dell'interruttore per m cicli integrali. Poiché l'accensione e lo spegnimento degli interruttori provoca la creazione di armoniche indesiderate, gli interruttori vengono attivati ​​e disattivati ​​durante condizioni di zero tensione e zero corrente (zero-crossing), riducendo efficacemente la distorsione.
• Controllo dell'angolo di fase: esistono vari circuiti per implementare un controllo dell'angolo di fase su diverse forme d'onda, come il controllo della tensione a semionda oa onda intera. I componenti elettronici di potenza tipicamente utilizzati sono diodi, SCR e Triac. Con l'uso di questi componenti, l'utente può ritardare l'angolo di sparo in un'onda che farà sì che solo una parte dell'onda sia in uscita.
• Controllo PWM AC Chopper: Gli altri due metodi di controllo hanno spesso armoniche scadenti, qualità della corrente di uscita e fattore di potenza in ingresso. Per migliorare questi valori è possibile utilizzare il PWM al posto degli altri metodi. Ciò che fa PWM AC Chopper è avere interruttori che si accendono e si spengono più volte entro semicicli alternati di tensione di ingresso.

Convertitori a matrice e cicloconvertitori: i cicloconvertitori sono ampiamente utilizzati nell'industria per la conversione da CA ad CA, perché possono essere utilizzati in applicazioni ad alta potenza. Sono convertitori di frequenza diretti commutati che sono sincronizzati da una linea di alimentazione. Le forme d'onda della tensione di uscita del cicloconvertitore hanno armoniche complesse con le armoniche di ordine superiore filtrate dall'induttanza della macchina. Fa sì che la corrente della macchina abbia meno armoniche, mentre le armoniche rimanenti provocano perdite e pulsazioni di coppia. Si noti che in un cicloconvertitore, a differenza di altri convertitori, non ci sono induttanze o condensatori, cioè nessun dispositivo di accumulo. Per questo motivo la potenza istantanea in ingresso e la potenza in uscita sono uguali.

• Cicloconvertitori da monofase a monofase : I cicloconvertitori da monofase a monofase hanno iniziato a suscitare più interesse di recente a causa della diminuzione sia delle dimensioni che del prezzo degli interruttori dell'elettronica di potenza. La tensione alternata monofase ad alta frequenza può essere sinusoidale o trapezoidale. Questi potrebbero essere intervalli di tensione zero per scopi di controllo o commutazione di tensione zero.
• Trifase monofase cicloconvertitori : Ci sono due tipi di trifase a cicloconvertitori monofase: 3φ a 1φ cicloconvertitori mezza onda e 3φ a cicloconvertitori ponte 1φ. Sia i convertitori positivi che quelli negativi possono generare tensione a entrambe le polarità, con il risultato che il convertitore positivo fornisce solo corrente positiva e il convertitore negativo fornisce solo corrente negativa.

Con i recenti progressi dei dispositivi, vengono sviluppate nuove forme di cicloconvertitori, come i convertitori a matrice. Il primo cambiamento che viene notato per la prima volta è che i convertitori a matrice utilizzano interruttori bipolari bidirezionali. Un convertitore a matrice monofase-monofase è costituito da una matrice di 9 interruttori che collegano le tre fasi di ingresso alla fase di uscita dell'albero. Qualsiasi fase di ingresso e fase di uscita può essere collegata insieme in qualsiasi momento senza collegare contemporaneamente due interruttori della stessa fase; altrimenti ciò provocherà un cortocircuito delle fasi di ingresso. I convertitori a matrice sono più leggeri, compatti e versatili rispetto ad altre soluzioni di conversione. Di conseguenza, sono in grado di raggiungere livelli più elevati di integrazione, funzionamento a temperature più elevate, ampia frequenza di uscita e flusso di potenza bidirezionale naturale adatto a rigenerare l'energia all'utenza.

I convertitori a matrice si suddividono in due tipologie: convertitori diretti e indiretti. Un convertitore a matrice diretta con ingresso trifase e uscita trifase, gli interruttori in un convertitore a matrice devono essere bidirezionali, ovvero devono essere in grado di bloccare le tensioni di entrambe le polarità e di condurre la corrente in entrambe le direzioni. Questa strategia di commutazione consente la massima tensione di uscita possibile e riduce la corrente reattiva lato rete. Pertanto, il flusso di potenza attraverso il convertitore è reversibile. A causa del suo problema di commutazione e del controllo complesso, non viene utilizzato ampiamente nell'industria.

A differenza dei convertitori a matrice diretta, i convertitori a matrice indiretti hanno la stessa funzionalità, ma utilizzano sezioni di ingresso e uscita separate collegate tramite un collegamento CC senza elementi di memorizzazione. Il progetto include un raddrizzatore di corrente a quattro quadranti e un inverter di fonte di tensione. La sezione di ingresso è costituita da interruttori bipolari bidirezionali. La strategia di commutazione può essere applicata modificando lo stato di commutazione della sezione di ingresso mentre la sezione di uscita è in modalità di rotazione libera. Questo algoritmo di commutazione ha una complessità significativamente inferiore e una maggiore affidabilità rispetto a un convenzionale convertitore a matrice diretta.

Convertitori di collegamento CC: i convertitori di collegamento CC, denominati anche convertitori CA/CC/CA, convertono un ingresso CA in un'uscita CA con l'uso di un collegamento CC nel mezzo. Ciò significa che la potenza nel convertitore viene convertita in CC da CA con l'uso di un raddrizzatore, quindi viene riconvertita in CA da CC con l'uso di un inverter. Il risultato finale è un'uscita con una tensione più bassa e una frequenza variabile (più alta o più bassa). Per il loro ampio campo di applicazione, i convertitori AC/DC/AC sono la soluzione contemporanea più comune. Un altro vantaggio dei convertitori AC/DC/AC è che sono stabili in condizioni di sovraccarico e senza carico, così come possono essere sganciati da un carico senza danni.

Convertitore a matrice ibrida: i convertitori a matrice ibrida sono relativamente nuovi per i convertitori AC/AC. Questi convertitori combinano il design AC/DC/AC con il design del convertitore a matrice. In questa nuova categoria sono stati sviluppati più tipi di convertitori ibridi, un esempio è un convertitore che utilizza interruttori unidirezionali e due stadi di conversione senza il dc-link; senza i condensatori o gli induttori necessari per un collegamento in cc, il peso e le dimensioni del convertitore sono ridotti. Esistono due sottocategorie dai convertitori ibridi, denominati convertitore a matrice diretta ibrida (HDMC) e convertitore a matrice indiretta ibrida (HIMC). L'HDMC converte la tensione e la corrente in uno stadio, mentre l'HIMC utilizza stadi separati, come il convertitore AC/DC/AC, ma senza l'uso di un elemento di accumulo intermedio.

Applicazioni: Di seguito è riportato un elenco di applicazioni comuni in cui viene utilizzato ciascun convertitore.

• Regolatore di tensione CA: controllo dell'illuminazione; Riscaldamento Domestico e Industriale; Controllo della velocità di azionamenti di ventilatori, pompe o paranchi, avviamento graduale di motori a induzione, interruttori CA statici (controllo della temperatura, cambio di rubinetto del trasformatore, ecc.)
• Cicloconvertitore: azionamenti per motori CA reversibili ad alta potenza e bassa velocità; Alimentatore a frequenza costante con frequenza di ingresso variabile; Generatori VAR controllabili per la correzione del fattore di potenza; Interazioni del sistema CA che collegano due sistemi di alimentazione indipendenti.
• Convertitori a matrice: Attualmente l'applicazione dei convertitori a matrice è limitata a causa della non disponibilità di interruttori monolitici bilaterali in grado di funzionare ad alta frequenza, implementazione di leggi di controllo complesse, commutazione e altri motivi. Con questi sviluppi, i convertitori a matrice potrebbero sostituire i cicloconvertitori in molte aree.
• DC Link: può essere utilizzato per applicazioni a carico singolo o multiplo di costruzione e costruzione di macchine.

Simulazioni di sistemi elettronici di potenza

Tensione di uscita di un raddrizzatore a onda intera con tiristori controllati

I circuiti elettronici di potenza vengono simulati utilizzando programmi di simulazione al computer come PLECS , PSIM e MATLAB /simulink. I circuiti vengono simulati prima di essere prodotti per testare la risposta dei circuiti in determinate condizioni. Inoltre, la creazione di una simulazione è sia più economica che più rapida rispetto alla creazione di un prototipo da utilizzare per i test.

Applicazioni

Le applicazioni dell'elettronica di potenza variano in dimensioni da un alimentatore a modalità commutata in un adattatore CA , caricabatterie, amplificatori audio, reattori per lampade fluorescenti , fino a unità a frequenza variabile e azionamenti per motori CC utilizzati per azionare pompe, ventole e macchinari di produzione, fino a gigawatt sistemi di trasmissione di potenza in corrente continua ad alta tensione su larga scala utilizzati per l'interconnessione delle reti elettriche. I sistemi elettronici di potenza si trovano praticamente in ogni dispositivo elettronico. Per esempio:

• I convertitori DC/DC sono utilizzati nella maggior parte dei dispositivi mobili (telefoni cellulari, PDA ecc.) per mantenere la tensione ad un valore fisso qualunque sia il livello di tensione della batteria. Questi convertitori vengono utilizzati anche per l'isolamento elettronico e la correzione del fattore di potenza . Un ottimizzatore di potenza è un tipo di convertitore DC/DC sviluppato per massimizzare la raccolta di energia dai sistemi solari fotovoltaici o eolici .
• I convertitori AC/DC ( raddrizzatori ) vengono utilizzati ogni volta che si collega un dispositivo elettronico alla rete (computer, televisione ecc.). Questi possono semplicemente cambiare AC in DC o possono anche cambiare il livello di tensione come parte del loro funzionamento.
• I convertitori AC/AC vengono utilizzati per modificare il livello di tensione o la frequenza (adattatori di alimentazione internazionali, variatore di luminosità). Nelle reti di distribuzione dell'energia, i convertitori AC/AC possono essere utilizzati per scambiare energia tra reti elettriche a frequenza di rete 50 Hz e 60 Hz.
• I convertitori DC/AC ( inverter ) sono utilizzati principalmente negli UPS o nei sistemi di energia rinnovabile o nei sistemi di illuminazione di emergenza . L'alimentazione di rete carica la batteria CC. In caso di interruzione della rete, un inverter produce elettricità CA alla tensione di rete dalla batteria CC. Gli inverter solari , sia di stringhe più piccole che gli inverter centrali più grandi, così come i micro-inverter solari sono utilizzati nel fotovoltaico come componenti di un sistema fotovoltaico.

Gli azionamenti a motore si trovano in pompe, soffianti e azionamenti per mulini per tessili, carta, cemento e altri impianti simili. Gli azionamenti possono essere utilizzati per la conversione di potenza e per il controllo del movimento. Per i motori CA, le applicazioni includono azionamenti a frequenza variabile , avviatori statici per motori e sistemi di eccitazione.

Nei veicoli elettrici ibridi (HEV), l'elettronica di potenza viene utilizzata in due formati: ibrida in serie e ibrida parallela. La differenza tra un ibrido in serie e un ibrido in parallelo è la relazione del motore elettrico con il motore a combustione interna (ICE). I dispositivi utilizzati nei veicoli elettrici sono costituiti principalmente da convertitori dc/dc per la ricarica delle batterie e convertitori dc/ac per alimentare il motore di propulsione. I treni elettrici utilizzano dispositivi elettronici di potenza per ottenere potenza, nonché per il controllo vettoriale mediante raddrizzatori a modulazione di larghezza di impulso (PWM). I treni ottengono la loro potenza dalle linee elettriche. Un altro nuovo utilizzo per l'elettronica di potenza è nei sistemi di ascensori. Questi sistemi possono utilizzare tiristori , inverter, motori a magneti permanenti o vari sistemi ibridi che incorporano sistemi PWM e motori standard.

Inverter

In generale, gli inverter sono utilizzati in applicazioni che richiedono la conversione diretta dell'energia elettrica da CC a CA o la conversione indiretta da CA a CA. La conversione da CC a CA è utile per molti campi, tra cui il condizionamento dell'alimentazione, la compensazione delle armoniche, gli azionamenti dei motori e l'integrazione della rete di energia rinnovabile.

Nei sistemi di alimentazione si desidera spesso eliminare il contenuto armonico presente nelle correnti di linea. I VSI possono essere utilizzati come filtri di potenza attiva per fornire questa compensazione. Sulla base delle correnti e delle tensioni di linea misurate, un sistema di controllo determina i segnali di corrente di riferimento per ciascuna fase. Questo viene riportato attraverso un anello esterno e sottratto dai segnali di corrente effettivi per creare segnali di corrente per un anello interno all'inverter. Questi segnali quindi fanno sì che l'inverter generi correnti di uscita che compensano il contenuto armonico. Questa configurazione non richiede un reale consumo di energia, in quanto è completamente alimentata dalla linea; il DC link è semplicemente un condensatore che viene mantenuto a tensione costante dal sistema di controllo. In questa configurazione, le correnti di uscita sono in fase con le tensioni di linea per produrre un fattore di potenza unitario. Al contrario, la compensazione VAR è possibile in una configurazione simile in cui le correnti di uscita portano le tensioni di linea per migliorare il fattore di potenza complessivo.

Nelle strutture che richiedono energia in ogni momento, come ospedali e aeroporti, vengono utilizzati sistemi UPS. In un sistema in standby, un inverter viene messo in linea quando la rete di alimentazione normale viene interrotta. L'energia viene prelevata istantaneamente dalle batterie in loco e convertita in tensione CA utilizzabile dal VSI, fino a quando non viene ripristinata l'alimentazione di rete o fino a quando i generatori di backup non vengono messi in linea. In un sistema UPS online, viene utilizzato un inverter raddrizzatore-DC-link per proteggere il carico da transitori e contenuto armonico. Una batteria in parallelo al DC-link viene mantenuta completamente carica dall'uscita in caso di interruzione dell'alimentazione di rete, mentre l'uscita dell'inverter è alimentata al carico attraverso un filtro passa basso. Si ottiene un'elevata qualità della potenza e l'indipendenza dai disturbi.

Sono stati sviluppati vari drive CA per il controllo di velocità, coppia e posizione dei motori CA. Questi azionamenti possono essere classificati come a basse prestazioni o ad alte prestazioni, a seconda che siano rispettivamente a controllo scalare oa controllo vettoriale. Negli azionamenti a controllo scalare, la corrente fondamentale dello statore o la frequenza e l'ampiezza della tensione sono le uniche grandezze controllabili. Pertanto, questi azionamenti sono utilizzati in applicazioni in cui non è richiesto un controllo di qualità elevato, come ventilatori e compressori. Gli azionamenti a controllo vettoriale, invece, consentono il controllo continuo dei valori istantanei di corrente e tensione. Queste elevate prestazioni sono necessarie per applicazioni come ascensori e auto elettriche.

Gli inverter sono anche vitali per molte applicazioni di energia rinnovabile. Negli scopi fotovoltaici, l'inverter, che di solito è un VSI PWM, viene alimentato dalla produzione di energia elettrica CC di un modulo o array fotovoltaico. L'inverter lo converte quindi in una tensione CA da interfacciare con un carico o con la rete pubblica. Gli inverter possono essere impiegati anche in altri sistemi rinnovabili, come le turbine eoliche. In queste applicazioni, la velocità della turbina di solito varia causando cambiamenti nella frequenza della tensione e talvolta nell'ampiezza. In questo caso, la tensione generata può essere rettificata e quindi invertita per stabilizzare la frequenza e l'ampiezza.

Rete intelligente

Una rete intelligente è una rete elettrica modernizzata che utilizza la tecnologia dell'informazione e della comunicazione per raccogliere e agire sulle informazioni, come le informazioni sui comportamenti di fornitori e consumatori, in modo automatizzato per migliorare l'efficienza, l'affidabilità, l'economia e la sostenibilità della produzione e distribuzione di energia elettrica.

L'energia elettrica generata da turbine eoliche e turbine idroelettriche utilizzando generatori a induzione può causare variazioni nella frequenza con cui viene generata l'energia. I dispositivi elettronici di potenza sono utilizzati in questi sistemi per convertire le tensioni alternate generate in corrente continua ad alta tensione ( HVDC ). La potenza HVDC può essere più facilmente convertita in potenza trifase coerente con la potenza associata alla rete elettrica esistente. Attraverso questi dispositivi, la potenza erogata da questi sistemi è più pulita e ha un fattore di potenza associato più elevato. La coppia ottimale dei sistemi eolici è ottenuta tramite un riduttore o tecnologie di azionamento diretto che possono ridurre le dimensioni del dispositivo elettronico di potenza.

L'energia elettrica può essere generata tramite celle fotovoltaiche utilizzando dispositivi elettronici di potenza. L'energia prodotta viene solitamente poi trasformata da inverter solari . Gli inverter si dividono in tre diverse tipologie: centrali, integrati nel modulo e di stringa. I convertitori centrali possono essere collegati in parallelo o in serie sul lato DC del sistema. Per le "fattorie" fotovoltaiche viene utilizzato un unico convertitore centrale per l'intero sistema. I convertitori integrati nel modulo sono collegati in serie sul lato CC o CA. Normalmente all'interno di un impianto fotovoltaico vengono utilizzati più moduli, poiché il sistema richiede questi convertitori sia sui terminali DC che AC. Un convertitore di stringa viene utilizzato in un sistema che utilizza celle fotovoltaiche rivolte in direzioni diverse. Serve per convertire la potenza generata su ciascuna stringa, o linea, in cui interagiscono le celle fotovoltaiche.

L'elettronica di potenza può essere utilizzata per aiutare le utenze ad adattarsi al rapido aumento della generazione distribuita di energia solare residenziale/commerciale . La Germania e parti delle Hawaii, della California e del New Jersey richiedono che vengano condotti studi costosi prima di approvare nuove installazioni solari. I dispositivi montati a terra o su palo su scala relativamente piccola creano il potenziale per un'infrastruttura di controllo distribuita per monitorare e gestire il flusso di energia. I sistemi elettromeccanici tradizionali, come i banchi di condensatori oi regolatori di tensione nelle sottostazioni , possono richiedere pochi minuti per regolare la tensione e possono essere distanti dagli impianti solari in cui hanno origine i problemi. Se la tensione su un circuito di quartiere diventa troppo alta, può mettere in pericolo le squadre di servizi pubblici e causare danni sia alle apparecchiature di servizio che a quelle del cliente. Inoltre, un guasto alla rete provoca l'immediato spegnimento dei generatori fotovoltaici, aumentando la domanda di energia dalla rete. I regolatori basati su smart grid sono più controllabili di molti più numerosi dispositivi consumer.

In un altro approccio, un gruppo di 16 utility occidentali chiamato Western Electric Industry Leaders ha chiesto l'uso obbligatorio di "invertitori intelligenti". Questi dispositivi convertono la corrente continua in corrente alternata domestica e possono anche aiutare con la qualità dell'alimentazione. Tali dispositivi potrebbero eliminare la necessità di costosi aggiornamenti delle apparecchiature di utilità a un costo totale molto inferiore.

Guarda anche

• Amplificatore FET
• Amplificatore di potenza RF

Appunti

Riferimenti

• Issa Batarseh, "Circuiti elettronici di potenza" di John Wiley, 2003.
• SK Mazumder, "Inverter ad alta frequenza: dai sistemi DER/DG a energia rinnovabile e alternativa basati su celle fotovoltaiche, eoliche e a celle a combustibile alle applicazioni di accumulo di energia basate su batterie", capitolo del libro nel manuale dell'elettronica di potenza, editore MH Rashid, accademico Press, Burlington, Massachusetts, 2010.
• V. Gureich "Dispositivi elettronici su componenti discreti per l'ingegneria industriale e energetica", CRC Press, New York, 2008, 418 p.
• Editore: Semikron, Autori: Dr. Ulrich Nicolai, Dr. Tobias Reimann, Prof. Jürgen Petzoldt, Josef Lutz: Application Manual Moduli di potenza IGBT e MOSFET , 1. edizione, ISLE Verlag, 1998, ISBN  3-932633-24- 5 versione online
• RW Erickson, D. Maksimovic, Fondamenti di elettronica di potenza, 2a ed. , Springer, 2001, ISBN  0-7923-7270-0 [1]
• Arendt Wintrich; Ulrich Nicolai; Werner Tursky; Tobias Reimann (2010), Applikationshandbuch 2010 (versione PDF) (in tedesco) (2. ed.), ISLE Verlag, ISBN 978-3-938843-56-7
• Arendt Wintrich; Ulrich Nicolai; Werner Tursky; Tobias Reimann (2011), Application Manual 2011 (PDF) (in tedesco) (2. ed.), ISLE Verlag, ISBN 978-3-938843-66-6, archiviato dall'originale (versione PDF) il 03-09-2013

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