Componentistica inverter/convertitori

[veneziano]

Salve a tutti voi. Mi ritrovo ad abbeverarmi a questo tempio del sapere qual'è questo forum ed a chiedere ancora lumi a voi che ne siete i sommi sacerdoti.

Per carità passatemi la sviolinata che a mio parere leggendo i post è meritata.

Vengo al dunque. Sto realizzando una mappa concettuale che racchiuda tutto il campo del controllo dei motori elettrici partendo dai semiconduttori ( tipi di diodi, transistor) per arrivare fino ad ogni versione di motore elettrico con il suo relativo controllo (vettoriale, v/f....) e feedback (dinamo , encoder...). ed il principale settore di applicazione pratico. 

In onesta per molti di questi capitolo ho attinto sia alla didattica, che nelle discussioni e grazie a loro ho imparato molto, ma non ho trovato una linea di principio (semmai ne esiste una) per stabilire in base al tipo di componenti (SCR, TRIAC,IGBT) , quali di questi sono quelli usati. (es  SCR per azionamenti in CC etc) per costruire tali apparecchiature. Inoltre vorrei capire anche quali componenti sono in disuso e quali quelli piu moderni.

Come dicevo il materiale sia qui che in rete è tantissimo, ma anche molto approfondito per me che lavoro sempre in fase preliminare (controllo fusibili, spazzole, tensione eccitazione, tensione dinamo etc), ma che vorrei erudirmi anche nella parte della teoria. Infatti sono tornato a scuola, ma questo tipo di nozioni sono sicuro di trovarle solo in " Questa Scuola ".

Spero di essermi spiegato bene sulle mie problematiche e ringrazio fin d'ora chi mi risponderà.

Saluti

 

 

[Sandro Calligaro]

Ciao Veneziano, io avrei postato nella sezione Didattica, vediamo cosa ne pensano anche gli altri, se non altro per evitare di restringere il campo.

Sviolinata a parte, se ho capito bene in questo momento ti interessa sapere quali sono i componenti attivi utilizzati per le varie applicazioni.

Partiamo dal caso più semplice, quello degli inverter trifase per tensione di rete (raddrizzata). In quel caso si utilizzano praticamente solo IGBT. La ragione credo sia principalmente economica, visto che esistono MOSFET che potrebbero ridurre le perdite (già molto basse) e lavorare a frequenze più alte, ma hanno costi ancora poco competitivi.
Nota che lavorare a frequenze di switching più alte vuol dire, a parità di componente, aumentare le perdite per commutazione, ma permettere una dinamica di controllo più veloce.

Per contro, le perdite per conduzione (che negli inverter industriali credo siano la maggior parte delle perdite) sono legate ovviamente alla caduta di tensione sul componente, che negli IGBT da 1200 V è quasi fissa (2-3 V), mentre i MOSFET in conduzione si comportano come dei resistori.

Per applicazioni di conversione in generale (DC-DC isolati e non, AC-DC per fotovoltaico, ...) i MOSFET sono molto più utilizzati (a meno di casi particolari in cui la corrente è bassa e/o il basso costo è fondamentale, come nelle applicazioni consumer), perché le frequenze di commutazione sono di solito molto più alte che negli inverter (per fare un esempio, potrebbe essere 100 kHz contro 10 kHz), e i requisiti di compattezza ed efficienza sono molto più stringenti.

Va considerato, tra l'altro, che efficienza e compattezza vanno molto d'accordo, nel senso che per avere la compattezza di solito occorre essere efficienti (per non dover smaltire tanto calore). Ovviamente ci sono anche casi in cui si "imbroglia", ad esempio con il raffreddamento a liquido.

Per contro, spesso sarebbe più facile fare un convertitore efficiente, se è ammesso che sia pesante, voluminoso e costoso.

Se vuoi avere un'idea della compattezza nei convertitori e dei trucchi per raggiungerla (allo stato dell'arte), cerca notizie, presentazioni e schemi sulla "Google Little Box Challenge", di qualche anno fa.

Gli SCR credo che oramai siano utilizzati solo in applicazioni industriali di potenza medio-alta in continua (motori in continua, eccitazione di rotore di motori sincroni), ma non sono un esperto in quel senso.

La mia convinzione è che, a parte casi particolari, prima o poi verranno soppiantati dagli IGBT. Ad oggi ci sono già parecchie applicazioni reali con IGBT a tensione >1 kV e correnti dell'ordine dei kA, mentre in laboratorio sono stati testati IGBT a tensioni >10 kV.

Anche gli IGCT (cioè più o meno dei GTO evoluti) credo che cadranno in disuso, visto il miglioramento dei loro fratelli con la "B".

Tra l'altro, la controllabilità che si potrebbe avere con un ponte intero ad IGBT è molto maggiore di quella con un ponte ad SCR. Credo sia principalmente una questione di costo, di esigenze e di (vera o presunta) affidabilità.

In generale, l'ultima tendenza nel campo degli "switch" (cioè in generale MOSFET, IGBT, diodi) è l'uso di materiali ad ampio bandgap (Wide Band Gap), più precisamente SiC (carburo di silicio) e GaN (nitruro di gallio), al posto del tradizionale silicio. Per ora, anche se di questa "rivoluzione" si parla da alcuni anni, si vedono poche applicazioni vere, anche se i diodi SiC sono effettivamente utilizzati. I vantaggi principali sono la velocità di commutazione e l'efficienza, ma devo dire che nel controllo motore non vedo molto l'esigenza di migliorare l'efficienza né di alzare la frequenza di commutazione, per lo meno non a fronte di un costo molto maggiore (e magari di problemi di reperibilità e di affidabilità). Per contro, nei convertitori switching, ed in particolare in quella che sarà una delle applicazioni maggiori, cioè l'auto elettrica ed ibrida, perdite e compattezza sono fondamentali, per cui l'impiego di questi materiali (che hanno caratteristiche intrinsecamente migliori rispetto al silicio) prima o poi ci sarà.

Una cosa che, se si potranno alzare di molto le frequenze di commutazione (a costi ragionevoli), potrebbe finalmente essere possibile, è quella di avere inverter con uscita sinusoidale. Esistono già, hanno sicuramente dei grossi vantaggi da vari punti di vista, ma visto il costo vengono utilizzati solo in applicazioni molto particolari.

[veneziano]

Grazie della risposta Sandro, la tua panoramica è molto esaustiva ma devo riconoscere i miei limiti per comprenderla pienamente a fondo.

Se non ho compreso male , mi sembra però che un legame tra utilizzo finale e componentistica non sussista, ma bensi scelte costruttive dettate dall'evoluzione e dall'ottimizzazione dei costi.

Mi rendo conto che diodi e transistor sono presenti ovunque, ma per ora devo concentrarmi per quanto possibile nel mio ristretto campo delle applicazioni industriali (motori elettrici).

Grazie ancora del tempo che mi hai dedicato, ma credo che lo abbia fatto con piacere, visto la lunghezza del post si vede che sei competente ed appassionato al tuo lavoro.

Sappi che stamperò la tua risposta per conservarla nei miei appunti.

A questo punto mi consigli di spostare la discussione nella Didattica?

Saluti

Veneziano

[Sandro Calligaro]

Grazie veneziano, ovviamente mi fa piacere condividere con chi vuole imparare!🙂

 

Non c'è un legame così stretto e semplice tra tipo di componente ed applicazione, ma in alcuni campi ci sono componenti che coprono la stragrande maggioranza dei prodotti (vedi IGBT negli inverter trifase per controllo motore) come anche componenti il cui utilizzo è ristretto quasi esclusivamente a certe applicazioni (vedi SCR nei motori DC).

 

Se posso permettermi, i convertitori per motori in generale rimangono pur sempre dei convertitori statici. Secondo me,conviene considerare e capire i principi dei convertitori in generale (per quanto possibile), perché molte problematiche sono le stesse.

Questo non toglie che i motori (specie AC) abbiano delle particolarità dovute alla presenza di dinamiche elettriche, magnetiche e meccaniche (tra loro accoppiate), che rende il loro controllo piuttosto complicato e molto interessante (a me personalmente piace più dei convertitori statici), indipendentemente dal modo in cui poi li si alimenta. Non è un caso che il controllo motore si è sviluppato come una branca a sé stante, rispetto alla vera e propria elettronica di potenza.

 

Se hai raccolto del materiale (dicevi che volevi farti una "mappa", magari hai scritto qualcosa), non sarebbe male se volessi condividerlo, secondo me discuterne arricchirebbe sia te che chi legge.