ITMI971616A1 - Dispositivo per l'alimentazione in corrente alternata di apparecchiature illuminanti collegate in serie - Google Patents

Description

dispositivo per l'alimentazione in corrènte alternata,

di apparecchi Illuminanti collegati in serie

RIASSUNTO

Il trovato è un dispositivo elettronico per l’alimentazione in corrente alternata, a valore di corrente efficace costante e programmabile, d'apparecchi illuminanti collegati in serie. É noto che per mantenere invariata la luminosità di corpi illuminanti, anche al variare del loro numero; ovvero per consentirne la variazione d'emissione luminosa, con la programmazione del valore efficace, è necessario utilizzare un sistema d'alimentazione in serie a valore efficace costante. Con tali sistemi si conseguono: miglior contrasto visivo, risparmio energetico, effetti scenici, sicurezza di funzionamento, rispetto delle norme di sicurezza.

Il trovato, risolve i problemi tecnici presentati da soluzioni precedenti grazie soprattutto ad una corrente d'ingresso a basso contenuto armonico, indipendente dalla luminosità, che consente di non sovradimensionare la rete d'alimentazione.

Il trovato ha vantaggioso impiego in tutti i percorsi illuminati, e.g.: piste aeroportuali, illuminazione stradale, percorsi di sicurezza all'interno ed all'esterno d'edifici.

DESCRIZIONE.

STATO DELLA TECNICA.

Allo stato esistono diversi tipi di regolatori usati allo scopo che, per comodità, raggruppiamo come segue:

A) Regolatori di 1^ generazione, a bobina mobile.

B) Regolatori di 2^ generazione, a ferrorisonanza.

C) Regolatori di 3^ generazione, a controllo statico, comunemente costituiti da una coppia di tiristorì coda a coda.

D) Regolatori di 4^ generazione, costituiti da un raddrizzatore e da un invertitore PWM. => Regolatori di 1 ^ e di 2^ generazione sono ormai desueti.

=> Regolatori di generazione.

Sono i più diffusi e presentano alcune caratteristiche vantaggiose quali:

La possibilità di variare la corrente agendo su circuiti a basso livello di potenza (regolazione elettronica), l'assenza di parti in movimento, dimensioni ridotte, elevato rendimento, basso costo, l'elevata velocità di risposta e la facilità di manutenzione.

Schematizziamo in figura 1 questo tipo di regolatore. La variazione della corrente e, quindi, dell'intensità luminosa, s'ottiene anticipando o ritardando l'istante di accensione "ta" di una coppia di tiristori, o d'amplificatori magnetici, o di qualsivoglia interruttore in grado di controllare la corrente alternata, rispetto all'istante "t0" del passaggio della tensione per lo zero rappresentato in figura 2.

Se ta-t0=0 s'ottiene la massima luminosità, se ta-t0=semiperiodo s'ottiene luminosità uguale a zero.

Svantaggi: ripercussioni negative sia sull'ingresso sia sull'uscita.

• Ripercussioni sull'uscita:

La corrente in uscita è di tipo sinusoide parzializzata (fig.2) e genera un elevato contenuto armonico con conseguente emissione di disturbi, irradiati e condotti, che interagiscono sul funzionamento d'apparecchiature e circuiti posti nelle vicinanze, e sullo trasmissione d'informazioni il cui supporto sia costituito dallo stesso circuito (onde convogliate). Per limitare gli inconvenienti è necessario adottare particolari accorgimenti nella posa del circuito luce e/o all'installazione di filtri di protezione.

• Ripercussioni sull'entrata:

La corrente d'ingresso è del tipo sinusoide parzializzata con elevato contenuto armonico di corrente reiettato in rete ed un basso cos φ. Queste correnti generano, in un sistema trifase, una terza armonica sul neutro, di valore efficace pari alla corrente di fase: ne derivano élevate perdite nella rete d'alimentazione e disturbi di tipo irradiato e condotto.

É necessario sovradimensionare la rete di alimentazione ed il gruppo di continuità od il gruppo elettrogeno. Per limitare gli inconvenienti si ricorre a filtri a trappola per le armoniche ed a filtri anti disturbo posti a monte delle apparecchiature.

Normative nazionali ed europee regolamentano l'emissione di radiodisturbi, irradiati e condotti, a protezione delle reti elettriche dall'inquinamento da convertitori elettronici. Anche il basso cos φ in ingresso è penalizzato dagli enti erogatori di energia elettrica che applicano tariffe maggiorate.

=> Regolatori di 4^ generazione.

Sono regolatori costituiti da un ponte di diodi trifase e da un invertitore PWM monofase regolato in corrente (fig. 3).

Il ponte di diodi trasforma la tensione alternata in tensione continua che è trasformata dall'invertitore in corrente alternata. La tensione tra i punti “A" e "B" è come indicato in figura 4a. Illustriamo in figura 4b ed i figura 5 uno dei modi per regolare la corrente:

• corrente IL positiva

periodo ta-tb = conducono V1 e V3 (diodo)

periodo tb-tc = conducono V1 e V4

periodo tc-td conducono V1 e V3 (diodo) e così via

• corrente IL negativa

periodo t'a-t'b conducono V3 e V1

periodo t'b-t’c conducono V3 e V2

periodo t’c-t'b conducono V3 e V1 (diodo) e così via.

In figura 4b rappresentiamo una possibilità di controllo di V1, V2, V3 e V4, in modo da ottenere una forma di corrente come quella mostrata in figura 4c. Per ottenere correnti sinusoidali è necessario avere una elevata frequenza di funzionamento.

La corrente di uscita è sinusoidale, ma la corrente d'ingresso presenta una elevata distorsione che può raggiungere il 60%.

Un raffronto tra i generatori di 3Λ e di 4Λ generazione porta alle seguenti conclusioni:

i generatori di 4^ generazione presentano rispetto a quelli di 3^ generazione, i vantaggi di • un cos φ unitario

• una forma d’onda della corrente di uscita sinusoidale;

presentano le seguenti similitudini:

• uguale livello di radiodisturbi irradiati e condotti in ingresso,

• elevata distorsione della corrente d'ingresso,

• necessità dì sovradimensionare la rete di alimentazione;

presentano, infine, i seguenfi svantaggi:

• costo più elevato,

• maggiore complessità circuitale,

• maggiore difficoltà di manutenzione,

• rendimento inferiore.

IL TROVATO.

=> Regolatore di 5^ generazione.

É il trovato oggetto della presente invenzione ed ha le seguenti caratteristiche:

1) Conversione ad un solo stadio.

2) Controllo di tipo PWM.

3) cos φ d'ingresso prossimo all’unità indipendentemente dalla luminosità.

4) Corrente d'ingresso sinusoidale a basso contenuto armonico indipendente dalla luminosità.

Numerosi sono i vantaggi offerti dal trovato.

VANTAGGI OFFERTI DAL TROVATO.

Conversione ad un solo stadio =

· possibilità di variare la corrente agendo su circuiti a basso livello di potenza,

· assenza di parti in movimento,

· dimensioni ridotte.

· rendimento elevato,

· basso costo, elevata velocità di risposta,

· facilità di manutenzione.

Controllo di tipo PMW =

· corrente d'uscita sinusoidale a basso contenuto armonico con conseguente basso livello di radiodisturbi irradiati e condotti in uscita,

cos φ d’ingresso prossimo all'unità indipendentemente dalla luminosità =

· adeguato ai requisiti di rete elettrica con risparmio rispetto alle tariffe maggiorate applicate per un basso cos φ.

Corrente d'ingresso sinusoidale a basso contenuto armonico indipendentemente dalla luminosità =

· non è necessario sovradimensionare la rete di alimentazione.

Il trovato risolve i problemi presentati dai regolatori di 3^ e di 4^ generazione rispetto alle correnti d'ingresso, mantenendo le perdite complessive ai più bassi livelli.

PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO DEL REGOLATORE DI 5^ GENERAZIONE.

Rappresentiamo in figura 6 lo schema elettrico del regolatore oggetto della presente invenzione, in cui Q1 e Q2 sono due interruttori statici bidirezionali.

In figura 7 è rappresentato un interruttore statico costituito da due IGBT, ma a questo scopo possono essere utilizzati altri componenti, quali: transistori bipolari, GTO, SCR, amplificatori magnetici.

Oltre che in configurazione còda a coda, gli interruttori statici possono essere costituiti da un ponte a diodi, con uno dei componenti sopra indicati collegato su una diagonale ed alimentato sull'altra, come indicato in figura 8.

La figura 9 rappresenta lo schema di figura 6 con Γ impiego di due IGBT come interruttori statici.

Scopo del convertitore è di fornire una corrente secondaria (I2), programmabile e costante al variare delle condizioni di carico (e.g. bruciatura di una o più lampade) ed al variare delle condizioni di alimentazione.

P1 controlla la corrente durante la semi onda positiva della tensione, mentre Ni controlla la corrente durante la semi-onda negativa della tensione. Durante la semi-onda di tensione positiva, P2 funziona in modo complementare a Pi, così da permettere il riciclo della corrente II quando Pi è spento. La luminosità del circuito varia al variare del rapporto di conduzione P2/P1. Analogamente durante la semi onda di tensione negativa, N2 funziona in modo complementare a Ni così da permettere il riciclo della corrente Il quando N1 è spento.

In figura il è rappresentata fa forma d'onda della corrente al primario (e quindi anche al secondario) di T1 ed i segnali di comando di P1 , P2 ,N1 ed N2.

STRATEGIA DI CONTROLLO

Il valore della corrente secondaria è regolato agendo sul rapporto

tempo di conduzione P1 (N1)/periodo portante PWM.

Questo rapporto è costante per una determinata luminosità, in figura 12 sono rappresentati gli istanti ed i modi di comando caratteristici degli interruttori statici.

Sì considerino come positivi i sensi di tensione’ e di corrente illustrati in figura 6: si hanno le seguenti quattro situazioni:

1 ) tensione positiva, corrente positiva.

Rispeto all'istante teorico dello spegnimento di P1 ed accensione di P2, P1 si spegne con ritardo in modo che non vi sia soluzione di continuità nella circolazione di corrente in L2.

2) Tensione negativa, corrente negativa.

Rispeto all’istante teorico dello spegnimento di P2 ed all’accensione di P1, P2 viene spento con ritardo in modo che non vi sia soluzione di continuità nella circolazione di corrente in L2.

3) Passaggio per lo zero con derivata negativa della tensione.

Al passaggi per lo zero della tensione, sia P1 sia N1 rimangono accesi per un tempo fisso. P2 ed N2 rimangono spenti durante questo periodo.

4) Passaggio per lo zero con derivata positiva della tensione. Vedasi punto (3).

In tuto il ciclo. P1 e N2 sono interbloccati; i.e. se P1 conduce N2 è sempre spento, e, tra :o spegnimento di P1 e l'accensione di N2 deve sempre trascorrere un tempo minimo.

Analogamente per N1 e P2.

Adottando la strategia di controllo illustrata in figura 12, la corrente non viene mai interrotta e, quindi, il livello di sovratensioni dei quàtro interruttori statici P1, P2, N1, N2.

VARIANTI.

In figura 10 rappresentiamo una variante rispetto allo schema di figura 6; questa variante permete d'alimentare circuiti in serie senza l'impiego di trasformatori elevatori.

Variando L1.L2.L3.C1 di figura 6 e di figura 10, è possibile variare il contenuto armonico della corrente assorbita dalla rete e quello della corrente erogata.

Il condensatore C2, indicato nello schema di figura 6, non serve da un punto di vista funzionale del regolatore, ma solo per eliminare eventuali frequenze sovrapposte a quelle d'uscita, frequenze che possono disturbare eventuali circuiti ad onde convogliate che utilizzano 1 cavi del circuito luce.

Claims (1)

1. RIVENDICAZIONI. Con la presente invenzione si rivendica A) L'originalità dello schema del controllore corrente costante illustrato in figura 6 ed in figura 10. B) L'originalità della strategia di controllo come illustrata in figura 12.