ITMI962683A1

ITMI962683A1 - Disposizione circuitale di trasformazione di tensione per la alimentazione energetica di un utilizzatore elettrico di elevata

Info

Publication number: ITMI962683A1
Application number: IT96MI002683A
Authority: IT
Inventors: Hans-Georg Nowak; Michael Quante; Frank Wefers; Franz-Josef Flamm
Original assignee: Schlafhorst & Co W
Priority date: 1996-01-26
Filing date: 1996-12-20
Publication date: 1998-06-20
Also published as: IT1289479B1; DE19702042A1; US5796598A; JPH09215337A

Description

Descrizione dell'invenzione industriale avente per titolo: "Disposizione circuitale di trasformazione di tensione per l'alimentazione energetica di un utilizzatore elettrico di elevata potenza, specialmente di un incannatoio"

Riassunto del trovato

Disposizione circuitale di trasformazione di tensione per l'alimentazione energetica di un utilizzatore elettrico di elevata potenza.

L'invenzione si riferisce ad una disposizione circuitale per trasformare differenti tensioni di rete elettrica in una tensione di alimentazione (U_), indipendente dal rispettivo valore di tensione nominale, per un utilizzatore elettrico di elevata potenza, ad esempio fino dell'ordine di 40 kW, specialmente per un incannatoio.

Secondo l'invenzione la disposizione circuitale contiene uno stadio raddrizzatore (1) per produrre una tensione continua (Uz) primaria del circuito intermedio, uno stadio convertitore (2) con interruttori di potenza per produrre una tensione alternata rettangolare (U^), un trasformatore (3) ad alta potenza con circuito intermedio secondario connesso, nonché uno stadio di regolazione, che comanda gli interruttori di potenza in dipendenza della tensione di entrata dello stadio convertitore, dell'intensità di corrente (IT) del circuito primario del trasformatore, nonché della tensione e dell'intensità di corrente nel circuito intermedio secondario, nel funzionamento a sfasamento, effettuando commutazione senza tensione, con frequenza variabile ed ampiezza degli impulsi variabile della tensione alternata rettangolare (UT).

Impiego, ad esempio, per l'alimentazione energetica di incannatoi.

(Figura 1)

Descrizione del trovato

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L'invenzione si riferisce ad una disposizione circuitale per trasformare differenti tensioni di rete elettrica in una tensione di alimentazione, indipendente dal rispettivo valore di tensione nominale, per un utilizzatore elettrico di elevata potenza, specialmente per un incannatoio.

Gli incannatoi di attuale modalità costruttiva, lavorano tipicamente con una tensione continua dì alimentazione di circa 260 V, per un fabbisogno di potenza fra 20 kW e 40 kW. Per ottenere una tale alimentazione dalle tensioni nominali di reti elettriche usuali a livello mondiale, che variano fra circa 180 V e 600 V, in presenza di frequenze di circa 50 Hz fino a 60 Hz, per l'incannatoio si impiega, in maniera convenzionale, un raddrizzatore tiristorizzato con approssimativamente trenta differenti varianti di trasformatore preinserite. Oltre all'adattamento di tensione, il rispettivo trasformatore deve assicurare la necesssaria separazione galvanica fra la tensione della rete elettrica, ovvero rete di corrente, e la tensione della macchina. Questa convenzionale alimentazione di corrente per incannatoi non soltanto richiede un dispendio tecnico relativamente alto, a causa dell'alto numero di differenti varianti di trasformatore per coprire le differenti tensioni di rete nel mondo, ma possiede anche soltanto una modesta stabilità di uscita, in seguito a grandi costanti di tempo di regolazione nonché un rendimento relativamente modesto e un peso elevato, in presenza di un grande ingombro.

Per l'alimentazione energetica di utilizzatori elettrici con fabbisogno di potenza dì al massimo fino circa 10 kw, cioè relativamente basso rispetto a quello degli incannatoi precedente menzionati, è noto l'impiego di disposizioni circuitali di trasformazione di tensione nella forma di cosiddetti alimentatori da rete a commutazione. In particolare per potenze leggermente superiori si impiegano alimentatori da rete a commutazione del tipo a convertitore in controfase con uno stadio di convertitore a ponte intero, che contiene quattro interruttori di potenza transistorizzati, comandati da uno stadio di regolazione. Fra l'altro a causa della limitata caricabilità massima dei componenti impiegati, è impossibile modificare tali alimentatori da rete a commutazione di potenza relativamente bassa, unicamente mediante un dimensionamento più elevato dei singoli componenti in alimentatori da rete a commutazione, che, con la stessa modalità di funzionamento, sono in grado di trasmettere potenze più alte. Anzi, a tale scopo sono necessari speciali accorgimenti supplementari, se si intende evitare un circuito-parallelo, incrementante il dispendio tecnico, di più alimentatori da rete a commutazione dello stesso tipo. Un tale accorgimento è rappresentato dalla cosiddetta commutazione della tensione di zero degli interruttori di potenza con comando a modulazione della durata o ampiezza degli impulsi, come viene descritto nell'articolo di N.H. Kutkut et al., An Improved Full-Bride Zero-Voltage Switching PWM Converter Using a Two-Inductor Rectifier, IEEE Transactions on Industry Applications, Voi. 31, Nr. 1, gennaio/febbraio 1995, pag. 119 per alimentatori da rete a commutazione fino ad una potenza di 10 kW. Un alimentatore da rete a commutazione di similare modalità di funzionamento con una potenza di uscita di 500 W è descritto nel manuale dati, Datenbuch 1994 della ditta Unitrode, con la sigla di impiego U-136.

Alla base dell'invenzione come problema tecnico è posta la realizzazione di una disposizione circuitale del genere menzionato all'inizio, con la quale, con un dispendio tecnico relativamente modesto, è possibile alimentare con una necessaria tensione di alimentazione un utilizzatore elettrico con elevato fabbisogno di potenza di 20 kW e oltre, specialmente un incannatoio, senza ulteriori accorgimenti di adattamento di differenti tensioni della rete elettrica.

Questo problema viene risolto mediante una disposizione circuitale avente le caratteristiche della rivendicazione 1. È risultato che mediante la struttura circuitale, scelta per questa disposizione circuitale, formata da uno stadio raddrizzatore, preferibilmente uno stadio raddrizzatore a ponte, da uno stadio di convertitore, preferibilmente uno stadio di convertitore a ponte intero, da uno stadio di regolazione e da un trasformatore ad alta potenza con connesso stadio del circuito secondario, in combinazione con lo speciale comando, fornito dallo stadio di regolazione, degli interruttori di potenza previsti nello stadio di convertitore, è possibile fornire la potenza di 20 kW e oltre, necessaria ad esempio per il funzionamento di incannatoi, con una determinata tensione di alimentazione sufficientemente costante, da reti di corrente con differenti tensioni nominali. Grazie allo speciale tipo di comando dello stadio di convertitore è possibile, in maniera degna di nota, trasmettere questa alta potenza tramite gli interruttori di potenza, senza che si rendano necessari costosi accorgimenti di raffreddamento o che si debbano impiegare più stàdi di convertitori in parallelo. A ciò contribuisce specialmente il fatto che il comando degli interruttori di potenza ha luogo nel funzionamento a sfasamento con commutazione a tensione di zero e non soltanto la durata degli impulsi della tensione alternata rettangolare, prodotta dallo stadio di convertitore, per regolare la desiderata tensione di alimentazione, ma anche la frequenza di questa tensione alternata vengano impostate in maniera variabile, in modo tale che le capacità parassite degli interruttori di potenza possono essere commutate di carica di volta in volta da una quantità di energia sufficientemente alimentata nell'induttanza di dispersione del trasformatore ad alta potenza. A tale scopo l'intensità di corrente nel circuito primario del trasformatore viene impostata di volta in volta grande quanto possibile, senza d'altro canto sovraccaricare il trasformatore.

Un ulteriore sviluppo dell'invenzione secondo la rivendicazione 2 realizza un dimensionamento di costo ottimizzato della disposizione circuitale, in quanto il trasformatore ad alta potenza è progettato su una minima tensione primaria del circuito intermedio per una potenza nominale preassegnata, a preassegnata frequenza di commutazione nominale.

In una disposizione circuitale ulteriormente sviluppata conformemente alla rivendicazione 3, il trasformatore ad alta potenza viene comandato simmetricamente, il che facilita l'impiego di un adatto trasformatore ad alta potenza nella gamma di potenza richiesta, in (pianto il suo materiale magnetico viene comandato simmetricamente lungo la zona positiva e negativa della caratteristica di magnetizzazione.

Una forma di realizzazione preferita dell'invenzione è rappresentata nei disegni e viene descritta nel seguito. In particolare:

la figura 1 mostra uno schema a blocchi di una disposizione circuitale per trasformare differenti tensioni di rete elettriche in una tensione di alimentazione, indipendente dalla rispettiva tensione nominale, per un incannatoio, e la figura 2 mostra uno schema equivalente di un interruttore di potenza IGBT, impiegato in uno stadio di convertitore a ponte intero della disposizione circuitale della figura 1, e dell'avvolgimento primàrio di un trasformatore ad alta potenza impiegato nella disposizione circuitale della figura 1.

La disposizione circuitale rappresentata in figura 1 contiene, dal lato di entrata, uno stadio raddrizzatore 1 a ponte di struttura usuale, da non descrivere qui in dettaglio, che raddrizza una tensione di rete elettrica UE in una tensione continua primaria Uz del. circuito intermedio, che viene stabilizzata da un condensatore C^. In tal caso la tensione della rete elettrica U_, applicata dal lato di entrata, può avere uno qualsiasi dei valori di tensione nominale usuali a livello mondiale, fra circa 180 V e circa 660 V. La tensione continua primaria Uz del circuito intermedio, prodotta mediante raddrizzamento e filtrazione della tensione U„ della rete elettrica dallo stadio raddrizzatore a ponte l, a seconda della progettazione del sistema assume valori compresi fra circa 300 V e circa 1000 V. La tensione continua primaria Uz del circuito intermedio viene convertita da uno stadio di convertitore 2 a ponte intero con quattro interruttori di potenza transistorizzati comandabili, del cosiddetto tipo IGBT, in una tensione alternata rettangolare UT che rappresenta la tensione del circuito primario di un susseguente trasformatore 3 ad alta potenza. Come trasformatore 3 ad alta potenza per la gamma di potenza qui rilevante di 20 kW e oltre, è utilizzabile ad esempio un tipo di trasformatore commercializzato dalla ditta Vakuumschmelze GmbH con i marchi Vitroperm, e Vitrovac. Mentre l'avvolgimento primario 3a del trasformatore 3 ad alta potenza è inserito nel circuito di uscita dello stadio di convertitore 2 a ponte intero, al suo avvolgimento secondario 3b come un circuito intermedio secondario in maniera usuale si connettono uno stadio raddrizzatore 4, un'induttanza di livellamento L e un condensatore C2, sul quale è possibile prelevare la tensione continua secondaria U_ del circuito intermedio come tensione di alimentazione D

per l'incannatoio, non ulteriormente mostrato, con una relativa intensità di corrente In del circuito secondario, laddove questa tensione di alimentazione UQ viene addotta, in modo di volta in volta adeguatamente trattato ulteriormente ai diversi utilizzatori elettrici dell'incannatoio, come sensori, attuatori, parte elettronica di comando, motori a passi e motori a tensione continua a commutazione elettrica.

Tipicamente per incannatoi si rende necessaria una tensione continua secondaria U_ del circuito intermedio dell'ordine di grandezza compreso fra 250 e 280 V. Per fornire questa tensione di alimentazione indipendentemente dalla tensione nominale U_, applicata di volta in volta dal lato di entrata, della rete elettrica di alimentazione, i quattro interruttori di potenza IGBT dello stadio convertitore 2 a ponte intero vengono comandati in una speciale modalità da un associato stadio regolatore 5, in dipendenza della tensione continua primaria Uz del circuito intermedio, dell'intensità di corrente IT del circuito primario del trasformatore nonché della tensione di alimentazione UB e della relativa intensità di corrente Ιβ, in modo che la tensione di uscita dello stadio convertitore 2 a ponte intero, ossia la tensione UT del circuito primario del trasformatore, viene regolata adeguatamente per guanto riguarda freguenza ed ampiezza, ovvero durata degli impulsi. A tale scopo il comando dello stadio convertitore 2 a ponte intero avviene mediante lo stadio di regolazione 5 nel funzionamento a sfasamento, in modo tale che si garantisce un inserimento e disinserimento degli interruttori di potenza transistorizzati, senza tensione. Il funzionamento a sfasamento fa sì che le capacità parassite degli interruttori di potenza transistorizzati vengano commutate di carica mediante l'energia immagazzinata nell'induttanza di dispersione del trasformatore 3 ad alta potenza. Questa energia immagazzinata nell'induttanza di dispersione del trasformatore 3 dipende dall'intensità di corrente IT del circuito primario del trasformatore, e l'energia minima necessaria per il cambiamento di carica è determinata dal valore della rispettiva capacità parassita dell'interruttore di potenza.

Questo cambiamento di carica può essere chiaramente compreso in base allo schema equivalente della figura 2. L'interruttore di potenza IGBT 6, ivi rappresentato in rappresentanza di tutti e quattro gli interruttori di potenza, in dipendenza della modalità costruttiva in parallelo al suo ramo interruttore contiene una capacità parassita 6a nonché un diodo 6b. Insieme all'induttanza di dispersione dell'avvolgimento primario 3a del trasformatore, inserita in serie al ramo interruttore del rispettivo interruttore di potenza 6 transistorizzato, si forma un circuito oscillante, che viene utilizzato dalla modulazione della durata degli impulsi della regolazione mediante una definita allocazione di fase delle durate di inserimento degli interruttori di potenza IGBT, in modo che gli interruttori di potenza effettuano la commutazione senza tensione.

Il trasformatore 3 ad alta potenza è ora preferibilmente ottimizzato nei costi su una minima tensione primaria del circuito · intermedio U„ per potenza nominale della disposizione circuitale con frequenza di commutazione nominale. Tipiche frequenze di commutazione nominale sono ad esempio dell'ordine di fino a 50 kHz. Con questo presupposto, per un intervallo della tensione di entrata e un intervallo della potenza di uscita il più possibile grandi, per consentire commutazioni a tensione zero degli interruttori di potenza, lo stadio di regolazione 5 effettua la regolazione in nodo tale che l'energia immagazzinata nell'induttanza di dispersione del trasformatore 3 ad alta potenza è sufficiente per il cambiamento di carica delle capacità degli interruttori di potenza. A tale scopo esso varia la frequenza di commutazione in dipendenza della tensione continua primaria Uz del circuito intermedio e della richiesta potenza di uscita, in modo che l'intensità di corrente IT del circuito primario del trasformatore assume valori massimi senza sovraccaricare il trasformatore 3. Contemporaneamente lo stadio di regolazione 5 imposta in maniera variabile la durata degli impulsi della tensione UT del circuito primario del trasformatore, cosicché la tensione continua secondaria U„ del circuito intermedio viene regolata sul valore desiderato.

Il trasformatore ad alta potenza, ad esempio quando viene impiegato uno dei tipi menzionati di trasformatori, commercializzati con i marchi Vitroperm e Vitrovac, dovrà essere fatto funzionare in modo che il suo materiale magnetico lungo l'intervallo positivo e negativo della caratteristica di magnetizzazione viene comandato simmetricamente. Ciò viene ottenuto mediante la regolazione, attuata dallo stadio di regolazione 5, per mezzo di scelta adeguata delle durate di inserimento dei singoli interruttori di potenza. In tal caso l'intensità di corrente IT del circuito primario del trasformatore serve da grandezza di impostazione e lo stadio di regolazione 5 regola a zero la differenza fra i valori medi delle componenti positive, rispettivamente negative, di segnale dell'intensità di corrente IT del circuito primario del trasformatore.

Utilizzando la disposizione circuitale descritta per l'alimentazione energetica di un incannatoio oppure, alternativamente, di un altro utilizzatore corrispondentemente di alta potenza fino dell'ordine di circa 40 kW, si ottengono vantaggi considerevoli. Con l'impiego di interruttori di potenza IGBT, di poche perdite e con commutazione alla tensione di zero, nello stadio convertitore a ponte intero e di un adatto trasformatore ad alta potenza, è possibile ottenere un rendimento della disposizione circuitale superiore a 0,9. Indipendentemente dalle diverse tensioni nominali e variazioni di tensione della rispettiva rete elettrica di alimentazione, la tensione della rete elettrica mediante modulazione di frequenza e della durata degli impulsi con elevata costanza della tensione di Uscita viene trasformata nella desiderata tensione continua secondaria del circuito intermedio. Rispetto a convenzionali soluzioni tiristorizzate nella tecnologia a 50Hz/60Hz nella corrispondente gamma di potenza si ottiene una decisa riduzione dell'ingombro e del peso. Così l'intera disposizione circuitale della figura 1 può essere realizzata con un peso tipico compreso fra circa 30 kg e 50 kg. Il dispendio in componenti è relativamente modesto grazie allo speciale comando dello stadio convertitore a ponte intero, e in particolare in seguito alla tensione di saturazione degli IGBT di circa 2 V fino a 3 V è necessario soltanto un modesto raffreddamente. Inoltre non si rendono necessari nemmeno più di quattro interruttori di potenza. Il trasformatore garantisce la richiesta sicura separazione di potenziale fra rete elettrica e circuito intermedio secondario.

Claims

Rivendicazioni 1. Disposizione circuitale per trasformare differenti tensioni nominali di rete elettrica in una tensione di alimentazione, indipendente dal rispettivo valore di tensione nominale della rete elettrica, per un utilizzatore elettrico di alta potenza, specialmente per un incannatoio, caratterizzata dai seguenti elementi: - uno stadio raddrizzatore (1) per produrre una tensione continua primaria (U_) del circuito intermedio fra circa 300 V e circa 1000 V, mediante raddrizzamento e filtrazione della rispettiva tensione della rete elettrica, con valori di tensione nominale compresi fra circa 180 V e circa 600 V; - uno stadio convertitore (2) con interruttori di potenza comandatili, per convertire la tensione continua primaria (U„ ) del circuito intermedio in una tensione alternata rettangolare (UT); - un trasformatore (3) ad alta potenza con connesso circuito intermedio secondario per trasformare la tensione alternata rettangolare (UT) nella tensione di alimentazione - uno stadio di regolazione (5) , che comanda gli interruttori di potenza in dipendenza della tensione continua primaria (U„) del circuito intermedio, dell'intensità di corrente (IT) nel circuito primario del trasformatore ad alta potenza, nonché in dipendenza della tensione (U_) e dell'intensità di corrente (In) nel circuito intermedio secondario, nel funzionamento a sfasamento con commutazione senza tensione, in primo luogo, con frequenza variabile per impostare un'intensità di corrente (IT) del circuito primario del trasformatore, che è sufficiente ad immagazzinare l'energia, necessaria per il cambiamento di carica delle capacità parassite degli interruttori di potenza, nell'induttanza di dispersione del trasformatore ad alta potenza e, in secondo luogo, con ampiezza degli impulsi, variabile per l'ottenimento della necessaria tensione di alimentazione (υβ) , della tensione alternata rettangolare (UT) . 2.. Disposizione circuitale secondo la rivendicazione 1, ulteriormente caratterizzata dal fatto che il trasformatore ad alta potenza (3) è progettato per una minima tensione continua primaria (Uz) del circuito intermedio per una preassegnata potenza nominale, a preassegnata frequenza di commutazione nominale. 3. Disposizione circuitale secondo la rivendicazione 1 oppure 2, ulteriormente caratterizzata dal fatto che lo stadio regolatore (5) comanda gli interruttori di potenza IGBT, in modo tale che viene regolata a zero la differenza fra i valori medi delle componenti di segnale positive, rispettivamente negative, dell'intensità di corrente (IT) del circuito primario del trasformatore.