Impiego del Tiristore

 

Finora abbiamo sempre considerato delle resistenze ohmiche nel circuito . principale. sostituiamo ora la resistenza in questo schema con un motore ad eccitazione separata, (vedi figura 14), caricato con un momento torcente costante.


Nella figura 3 venne precisato che il valore della corrente principale viene determinato primariamente dal carico. In questo motore sino a piccole tensioni applicate la corrente resta costante, cosicché anche il momento torcente che è proporzionale alla corrente IA, resta costante. (1)

La tensione U applicata al motore invece è dipendete dalla regolazione del tiristore (figura 12), cioè non costante. Poiché però il numero di giri del motore è dipendente dalla tensione (2), abbiamo in questo modo trovato una regolazione dei giri del motore, durante la quale il momento torcente del motore entro un ampio campo di tensione, resta uguale. La regolazione del numero di giri a mezzo di tiristori è perciò preferita tra gli altri sistemi di regolazione (ad es. a mezzo di resistenze d’inserzione).

Figura 14

Per utilizzare in pieno l’energia delle reti a corrente alternata, vengono spesso utilizzati collegamenti a ponte con tiristori, per carichi da corrente continua.

Un esempio semplice di ponte monofase con 4 tiristori si vede nella figura 15 a sinistra.

Le frecce colorate nello schema indicano che ora entrambe le direzioni di corrente forniscono corrente attraverso il carico (che qui è un motore a corrente continua). Con una completa apertura del tiristore (α = 0°) si ottiene al carico una corrente continua media, come indicato dalla figura a destra. Per ogni periodo T si formano due semionde nello stesso senso. Il ponte monofase vien perciò denominato schema a due impulsi.

Figura 15

Se un carico a corrente continua deve essere alimentato con una rete di corrente trifase, ciò può avvenire utilizzando un collegamento a ponte trifase (figura 16 a sinistra).

 

Per ogni fase della rete vengono impiegati due tiristori, così che per tutto il  ponte sono necessari 6 tiristori.

Il ponte monofase è uno schema a due impulsi. Per il ponte trifase occorre perciò uno schema a sei impulsi di controllo (figura 16 a destra).

Si osserva che la corrente raddrizzata da una corrente trifase ha una minore ondulazione di quella ottenuta da un ponte monofase (paragona con la figura a destra della figura 15). Per livellare la corrente di una rete trifase raddrizzata da un ponte trifase, necessitano perciò meno condensatori, impedenze e resistenze. Per la regolazione di grossi carichi viene perciò data preferenza a schemi a impulsi plurimi.

Figura 16

Il ponte trifase appartiene già all’elettronica di potenza, che è il principale campo d’applicazione dei tiristori. Il tiristore ha, nel campo dell’elettronica di potenza, cioè delle forti correnti, lo stesso significato del transistore nel campo delle correnti deboli.

Negli ultimi tempi il concetto di “tecnica delle forti correnti” è stato abbandonato, e sostituito dal concetto di “elettronica di potenza”, perché questa parte del campo dell’elettrotecnica è passato’, a causa del tiristore, in quello dell’elettronica.

Nell’elettronica di potenza non viene utilizzato solo “il raddrizzamento di corrente” e la “regolazione”, possibili con il tiristore. Inoltre col tiristore si possono costruire degli schemi che vanno al di là di queste proprietà. Di conseguenza si può in generale formulare che:

Il compito principale del tiristore nell’elettronica di potenza è quello di trasformare l’energia elettrica.

Il vantaggio particolare dei tiristori è che oltre al fatto che la trasformazione può essere compiuta senza perdite di energia degne di considerazione, si ha di poter inserire degli alti carichi elettrici senza movimento di contatti meccanici. Si sono quindi presentate delle possibilità d’impiego che prima non si potevano realizzare.

 

In prima posizione negli impieghi del tiristore si pone quello di raddrizzatore nell’elettronica di potenza. Esso trasforma l’energia elettrica di una rete monofase o trifase alternata in energia elettrica di corrente continua.

La trasformazione di grandi potenze elettriche ha lo stesso significato della trasformazione di alte tensioni e di grandi correnti. Poiché un solo transistore non può pilotare grandi potenze, vengono usati schemi di combinazioni con molti tiristori (ad esempio collegamenti in serie per sopportare alte tensioni, o, più spesso, collegamenti in parallelo per suddividere forti correnti).

Queste particolarità schematiche non sono importanti per il principio del raddrizzatore, cosicché per noi è sufficiente considerare solo il simbolo del blocco raddrizzatore (vedi figura 17).

Un carico qui una macchina a corrente continua riceve energia attraverso un gruppo di tiristori TS, che è collegato alla rete N a mezzo di un trasformatore Tr. TS viene pilotato dal gruppo di regolazione St, che è alimentato dalla rete N, e quindi inserito direttamente sulla rete.

Con questa disposizione non solo si può regolare la fornitura di corrente ma anche calibrarla, ad es. per un determinato numero di giri (questa parte di circuito aggiuntivo è tratteggiata nella figura 17).

Il valore del numero dei giri effettivo viene paragonato in un dispositivo di controllo R col valore prestabilito del numero di giri; il dispositivo di controllo poi, in caso di variazione della regolazione influirà sul gruppo di regolazione St. Il raddrizzatore di corrente quindi, in caso di necessità, non solo potrà pilotare l’afflusso di energia di un utilizzatore ma anche regolarne l’intensità.

Figura 17

Il convertitore di corrente trasforma l’energia di corrente continua in modo da poter alimentare, ad es. a mezzo di un accumulatore, un carico a corrente alternata. Poiché il convertitore deve stabilire frequenza e livello della tensione alternata d’uscita, esso vien detto “autoregolato” .

 

Lo schema di principio è indicato in figura 18. Ad una batteria B di corrente continua è collegato un avvolgimento di trasformatore con presa centrale, collegato a due tiristori Th 1 e Th 2. Quando Th 1 è in conduzione, attraverso una parte dell’avvolgimento scorre una corrente che provoca nel carico (allacciato all’altro avvolgimento del trasformatore) una corrente con direzione 1 →. Si innesca il tiristore Th 2 ed ecco che nell’avvolgimento collegato al carico RL scorre una corrente diretta in senso contrario alla prima: 2←. Bisogna però provvedere a che il tiristore Th l venga interdetto con un impulso dall’esterno, quando si innesca Th 2. Poiché al tiristore Th 1 è applicata una corrente continua, esso non può disinnescarsi da solo (come avviene ad es. con una corrente alternata).

Perciò tra Th 1 e Th 2 vien inserito un condensatore C che all’inizio del ciclo viene caricato ad es. dalla corrente che passa in Th 1. Quando si innesca Th 2 il condensatore si scarica attraverso entrambi i tiristori. La corrente di scarica però è in senso contrario nel tiristore Th 1 alla corrente di conduzione, cosicché le due correnti in Th 1 si annullano. Lo stato di conduzione viene interrotto e Th 1 viene bloccato. Lo stesso vale per lo spegnimento di Th 2, quando Th 1 viene nuovamente innescato. La frequenza della tensione alternata che ne risulta viene determinata dalla sequenza degli impulsi di apertura e chiusura di Th 1 e Th 2, cioè dalla sequenza degli impulsi di regolazione del gruppo regolatore. (Per una maggior chiarezza nella figura 18, questo gruppo non è stato indicato).

Figura 18

Il variatore di corrente continua modifica una tensione continua fissa in una tensione continua regolabile, senza contatti ne resistenze di perdita. Con- temporaneamente esso può restituire l’energia risparmiata se il carica viene frenato alla batteria. Ciò può ad esempio far aumentare l’autonomia dei veicoli elettrici.

 

Nel variatore di corrente continua il tiristore viene utilizzato come inseritore e disinseritore (vedi figura 19). Quando il tiristore è in conduzione, tutta la tensione UBa della batteria è applicata al carico (figura 19 a destra a, UL= UBa). Quando il tiristore è bloccato non viene applicata alcuna tensione al carico (ULUL (vedi figura19 a destra a). A mezzo di un particolare dispositivo di disinserzione occorre anche qui, come nel raddrizzatore, provvedere al fatto che il tiristore Th si blocchi nell’istante desiderato.

Al bloccarsi del tiristore (ULi attraverso il tiristore quando entra in conduzione (figura 19 a destra b). Il diodo D con l’induttanza L ed il carico spianano la corrente principale i, in modo da evitare che la corrente segua l’interruzione della tensione UL.

I tre impieghi principali nella elettronica di potenza che avete visto nelle ultime tre figure non esistono solo come singoli apparecchi per i particolari compiti esaminati. Molto meglio, i tre impieghi possono venir combinati.

Con ciò è possibile convertire energia elettrica di una certa grandezza, frequenza e numero di fasi, in altra energia elettrica di determinata grandezza, frequenza e numero di fasi. Questo è il più generale ed importante impiego dei tiristori.

Questi apparecchi vengono chiamati convertitori. Vi potete inoltre informare sul vasto campo d’impiego e sulle molteplici possibilità d’inserzione dei tiristori.

Chi desidera approfondire questo campo, deve munirsi della necessaria letteratura tecnica.

Note:

(1) L’espressione della formula:

Momento torcente =costante x flusso magnetico x corrente d’indotto

con campo magnetico costante è perciò M∼ (proporzionale)  a IA

(2) Il numero di giri invece è dipendente dalla tensione al motore U:

%d bloggers like this: