Funzionamento dei raddrizzatori e inverter con controllo di fase

Una tensione in alternata può essere convertita in continua con l’aiuto di vari tipi di raddrizzatori, ma in alcune condizioni gli stessi raddrizzatori possono funzionare anche da inverter. Questo è il caso dei raddrizzatori con controllo di fase a tiristore, che con una configurazione opportunamente studiata, possono far sì che la potenza scorra dal lato DC al lato AC, risultando utili in molti campi di applicazione. Oggi si parla del funzionamento dei raddrizzatori e inverter a frequenza di linea con controllo di fase a tiristori.

Introduzione

Nell’elettronica di potenza, i raddrizzatori a diodi a frequenza di linea sono molto utilizzati nei sistemi a commutazione, per convertire una tensione alternata a frequenza di linea in una tensione continua. Tuttavia in alcune applicazioni, come ad esempio negli azionamenti per motori in corrente continua alternata, è indispensabile che la tensione continua sia controllabile.

La conversione da corrente alternata in continua controllata può essere realizzata tramite i convertitori a frequenza di linea con controllo di fase a tiristori. Il controllo di fase può essere utilizzato per migliorare le prestazioni del circuito.

Nonostante i tiristori non siano particolarmente moderni e in molti casi sono stati soppiantati da interruttori controllabili da indubbi vantaggi, esistono comunque delle applicazioni per le quali prevedere un raddrizzatore a tiristori può essere una buona idea. Questo perché permettono di gestire delle grandi potenze a costi inferiori rispetto ad altre soluzioni.

L’uso di questi convertitori risulta essere più diffuso quindi nelle applicazioni trifase con potenza elevata, nelle quali è necessario poter controllare il flusso di potenza in entrambe le direzioni, sia dal lato AC che DC.

Principio di funzionamento dei tiristori

Il tiristore è un tipo di dispositivo a semiconduttore che può essere posto in conduzione quando si trova in stato di blocco diretto.

Per il suo innesco è necessario che venga applicato, per un breve periodo, un impulso positivo di corrente al suo gate di attivazione.

Il suo spegnimento non dipende da un determinato segnale di comando ed una volta posto in conduzione, comincerà a condurre come un diodo.

Una volta che il tiristore si comporta in modo analogo ai diodi, bisogna considerare che la corrente fluisce dall’anodo al catodo e in stato di apertura il tiristore può bloccare una tensione con polarità diretta e non condurre.

Questo dispositivo a semiconduttore potrà disinnescarsi e tornare in stato di blocco soltanto quando la sua corrente anodica tenderà ad un valore negativo, in dipendenza del funzionamento del circuito nel quale è stato inserito (Es: quando l’onda sinusoidale lato AC assume valore negativo).

Principio di funzionamento raddrizzatore a tiristori

Il principio di funzionamento del controllo di fase con i tiristori è molto semplice: innescando il tiristore ad un certo punto del ciclo AC, il flusso di corrente avverrà in una sola direzione, indipendentemente dalla polarità della tensione di ingresso.

Per una data tensione alternata a frequenza di linea, la tensione media sul lato DC può essere variata in modo continuo tra un valore massimo positivo e uno minimo negativo e la corrente istantanea sul lato DC del convertitore non può cambiare direzione.

Un convertitore di questo tipo può soltanto operare in due quadranti del piano Id – Vd ed il funzionamento da inverter è possibile soltanto se una sorgente di potenza, come può esserlo ad esempio una batteria o una cella fotovoltaica, è presente sul lato DC.

Ci sono alcune applicazioni nelle quali il convertitore deve essere in grado di funzionare in tutti e quattro i quadranti, come negli azionamenti per motore a corrente continua con frenatura di recupero: in questo caso si possono collegare due convertitori a due quadranti in antiparallelo, oppure cambiare tipologia di convertitore.

Circuiti con tiristori e comando di gate del tiristore

I parametri da tenere in considerazione quando si progetta un convertitore a tiristori sono molteplici. Per questo motivo, in questo momento si stanno facendo delle considerazioni generali sul funzionamento tipico di alcuni circuiti base e ideali a tiristori.

Controllando l’istante in cui il tiristore riceve l’impulso sul gate, il valore medio della corrente che scorre sul ramo del tiristore, può essere controllato in modo continuo fra zero ed un valore massimo.

Questo significa anche che avendo in ingresso del convertitore una determinata tensione, il valore medio della tensione di uscita può essere controllato ritardando listante in cui al tiristore viene permesso di condurre.

L’istante in cui viene attivato il tiristore, compreso un ritardo calcolato, può essere gestito attraverso diversi circuiti integrati disponibili nel mercato oppure fornito da determinati microcontrollori programmabili.

IC TCA780

Il comportamento del circuito e delle forme d’onda può variare anche in base al tipo di carico che viene collegato al convertitore, motivo per il quale uno studio preliminare e simulazione tramite un apposito software vanno sempre eseguiti.

Collegando dei carichi modesti e quindi considerando la presenza di una corrente sul carico relativamente piccola, si avrà che la forma d’onda assunta da questa corrente sarà più discontinua.

Modalità funzionamento da inverter

I convertitori a tiristori possono funzionare anche come inverter.

Con un angolo di ritardo Alfa superiore a 90° ma inferiore a 180°, La tensione presente sul lato DC assume un valore negativo e sarà negativa anche la potenza attiva che fluisce dal lato DC al lato AC.

Sul lato AC la tensione alternata facilita la commutazione della corrente tra una coppia di tiristori e l’altra.

Il funzionamento da inverter può avvenire soltanto se sul lato DC è presente una sorgente di tensione e se viene gestito correttamente l’angolo di ritardo di attivazione da permettere un corretto funzionamento e l’avvio dell’inverter.

Il tempo di spegnimento del tiristore deve essere il più piccolo possibile, altrimenti si corre il rischio che il tiristore cominci a condurre prima di quando dovrebbe e si potrebbe verificare un funzionamento anomalo (se non distruttivo) dato dalla mancanza di commutazione della corrente fra una coppia di tiristori e l’altra presenti nel circuito.

Per l’avvio dell’inverter, l’angolo di ritardo di attivazione deve inizialmente essere abbastanza elevato, in modo da assicurarsi che la corrente sul lato DC risulti essere discontinua. In seguito all’avvio, l’angolo di attivazione può essere abbassato e regolato per ottenere in uscita dell’inverter i valori di cui si hanno bisogno.

Esempio: studio di un semplice circuito ideale monofase

Schema circuito da simulare su LTspice

Questo circuito preso in esame, consiste in un raddrizzatore ideale monofase totalcontrollato a tiristori, senza che sia stata considerata alcuna induttanza di rete o che siano stati presi in considerazione altri parametri, per studiarne il funzionamento di base.
I segnali di comando delle coppie di tiristori U1-U4 e U2-U3 sono sfasati tra loro di mezzo periodo della sinusoide V1.

La simulazione viene fatta tramite il software LT-spice, tramite il quale è possibile valutare il comportamento di un determinato circuito al variare di certi parametri.

L’istante naturale di conduzione per un tiristore è quello in cui esso inizierebbe a condurre se al gate fosse applicata continuamente una corrente, ma in questo caso il segnale di comando I2-I4 è sfasato di mezzo periodo rispetto a quello di I1-I3.
Prima di 𝜔𝑡=0, la corrente circola attraverso i tiristori U2 e U3 e si ha 𝑣𝑑=−𝑣𝑠.
Dopo 𝜔𝑡=0, la tensione polarizza direttamente i tiristori U1 e U4, che non potranno condurre fino a quando 𝜔𝑡=𝛼, cioè fino a quando al suo gate non verrà applicato un impulso di corrente.

Durante l’intervallo compreso tra 0 e α, a causa del valore non nullo di ritardo α, Vd diventa negativa.

Tensione e corrente di alimentazione

Quando 𝜔𝑡=𝛼, la commutazione di corrente dai tiristori U2-U3 ai tiristori U1-U4 è istantanea dato che si è considerata un’induttanza di rete nulla.

Il valore medio della tensione lato continua, diventa negativa per angoli α > 90°.

Tensione ai capi del generatore Id

Conclusione

I raddrizzatori e gli inverter con controllo di fase giocano un ruolo importante nell’elettronica di potenza. Controllando l’angolo di attivazione dei tiristori, questi dispositivi possono essere utilizzati per regolare la quantità di potenza trasferita tra due circuiti. Questo li rende ideali per applicazioni come il contro

Ivan Scordato