Capitolo 5 (Convertitori)

Appunti di “Elettrotecnica e Macchine Elettriche” - L. Taponecco
M9 - Semiconduttori.
M9-1. Introduzione.
La generazione dell'energia elettrica viene effettuata quasi esclusivamente sotto
forma di corrente alternata trifase a tensione e frequenza fisse, mentre per il
controllo del moto dei motori, poiché è necessario poter variare tensione e/o
frequenza di alimentazione, si richiedono alimentazioni flessibili in corrente
alternata o in corrente continua.
Il problema si risolve attualmente utilizzando dei particolari dispositivi elettronici,
noti come convertitori statici in quanto privi di organi in movimento, costituiti da
elementi semiconduttori di potenza (diodi, tiristori, transistori).
Tali elementi, che vengono utilizzati come interruttori, hanno la proprietà di
condurre la corrente in un solo verso e possono assumere solo due stati: lo stato di
conduzione (corrispondente ad un interruttore chiuso) e lo stato di interdizione
(corrispondente ad un interruttore aperto).
L'evoluzione tecnologica di tali componenti elettronici (sempre più potenti, veloci ed
economici) e l'adozione di tecniche di controllo sempre più sofisticate sono stati gli
artefici dell'attuale sviluppo dei convertitori statici, la cui notevole diffusione è
dovuta ai molteplici vantaggi connessi al loro utilizzo: elevato rendimento, rapidità
di risposta, flessibilità di impiego, affidabilità, ecc.. Naturalmente l'utilizzo dei
convertitori statici comporta anche alcuni inconvenienti a seguito dell'introduzione
di armoniche sia a monte che a valle e quindi la necessità di adottare idonei
accorgimenti per limitare i disturbi da essi provocati sul motore (ondulazione di
coppia e maggiori stress meccanici e perdite nel rame) e sulla rete di alimentazione
(inquinamento armonico).
M9-2. Fondamenti dei semiconduttori.
Poiché la conduzione elettrica nei solidi avviene solo quando si ha una banda di stati elettronici non
completamente piena, se un semiconduttore è puro e non è sottoposto all'azione di un campo elettrico è
praticamente un isolante; la sua conduttività può però essere modificata con l'aggiunta di impurità (drogaggio), con
l'azione di un campo elettrico, o con l'esposizione alla luce. In un semiconduttore a temperatura ambiente, una
porzione (molto piccola) di elettroni termicamente eccitati è portata dalla banda di valenza (livello di energia che
possiedono gli elettroni dell'ultimo strato) alla banda di conduzione (livello di energia che consente agli elettroni di
abbandonare l'atomo).
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Fig. M9-1
La facilità con cui gli elettroni possono essere portati dalla banda di valenza alla banda di conduzione dipende dal
gap di energia tra le bande ed è la grandezza di questo gap di energia che serve come parametro per dividere i
semiconduttori dagli isolanti, che sono caratterizzati da un gap di energia molte volte maggiore, e dai conduttori
nei quali, essendo le bande di energia di valenza e di conduzione parzialmente sovrapposte, anche senza
l'applicazione di energia esterna numerosi elettroni sono liberi di vagare per il materiale (fig. M9-1).
Quando in un semiconduttore gli elettroni sono portati dalla banda di valenza alla banda di conduzione, entrambe
le bande contribuiscono alla conduzione, perché la conduzione può avvenire in ogni banda di energia non
completamente piena. Gli elettroni nella banda di conduzione sono chiamati elettroni liberi. Gli stati energetici
liberi nella banda di valenza sono chiamati lacune e benché non siano delle vere entità fisiche hanno un
comportamento molto simile a quello di particelle cariche positivamente.
L'importanza dei semiconduttori è dovuta al fatto che le loro proprietà elettriche possono essere fortemente
modificate in modo altamente controllato mediante idoneo drogaggio; aggiungendo cioè al semiconduttore piccole
percentuali di atomi non facenti parte del semiconduttore stesso. Queste impurità, in termini percentuali
bassissime: tali cioè da modificare le proprietà elettriche del semiconduttore ma non le proprietà chimiche, sono
classificabili in due tipi: quelle che fornisco un eccesso di elettroni alla banda di conduzione e quelle che
forniscono un eccesso di lacune alla banda di valenza.
In elettronica la lacuna è, insieme all'elettrone, uno dei due portatori di carica che contribuiscono al passaggio di
corrente elettrica nei semiconduttori. La lacuna, che ha in valore assoluto la stessa carica dell'elettrone ma la sua
carica è positiva, non è una particella come l'elettrone, ma rappresenta la mancanza di un elettrone all'interno di
un semiconduttore.
Il drogaggio è di tipo n se l'atomo drogante ha un elettrone in più di quelli che servono per soddisfare i legami del
reticolo cristallino e tale elettrone acquista libertà di movimento all'interno del semiconduttore. Il drogaggio è di
tipo p se l'atomo drogante ha un elettrone in meno di quelli che servono per soddisfare i legami del reticolo
cristallino e tale mancanza di elettrone (lacuna) si comporta come una particella carica positivamente e si può
spostare all'interno del semiconduttore.
I droganti più comuni di tipo n per il silicio (i cui atomi hanno quattro elettroni di valenza, ciascuno dei quali è
legato in modo covalente a uno dei quattro atomi adiacenti di Si) sono il fosforo e l'arsenico (i cui atomi hanno
cinque elettroni di valenza). Quando un atomo con cinque elettroni di valenza viene incorporato nel reticolo
cristallino del semiconduttore al posto di un atomo di Si, questo atomo ha quattro legami covalenti e un elettrone
senza legami. Questo elettrone aggiuntivo è solo debolmente legato all'atomo e può essere facilmente portato nella
banda di conduzione.
Il drogante di tipo p di gran lunga più usato per il silicio è il boro (i cui atomi hanno tre elettroni di valenza), il
quale ha un elettrone esterno in meno del silicio e così tende a prendere un elettrone dalla banda di valenza per
completare il quarto legame, questo genera la formazione di una lacuna.
Le giunzioni tra semiconduttori di tipo n e di tipo p, chiamate giunzioni p-n, sono gli elementi fondamentali di
molti dispositivi a semiconduttore. Una giunzione p-n può essere creata drogando regioni vicine di un
semiconduttore con droganti di tipo p e di tipo n. Se una tensione elettrica positiva viene applicata al lato di tipo p,
i portatori di carica positivi, le lacune, maggioritari in questa regione sono spinti verso la giunzione. Ugualmente, i
portatori di carica maggioritari nel lato n, gli elettroni, vengono attratti dalla tensione positiva e quindi sono
attratti verso la giunzione. Poiché si ha una abbondanza di portatori di carica presso la giunzione, la corrente può
scorrere attraverso la giunzione, sotto l'azione di una sorgente, come una batteria. Se invece la polarizzazione della
tensione viene invertita, le lacune e gli elettroni vengono allontanati dalla giunzione, lasciando una regione di
silicio quasi non conduttore che non consente il flusso di corrente. La giunzione p-n è la base del dispositivo
elettronico chiamato diodo, che consente il flusso di corrente solo in una direzione del dispositivo. Due giunzioni
p-n molto ravvicinate tra di loro formano invece il dispositivo a tre terminali (che può essere o p-n-p o n-p-n).
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M9-3. Componenti elettronici di potenza dei convertitori statici.
Il diodo è un bipolo non lineare a semiconduttore che, sfruttando la proprietà di
conduzione unidirezionale della giunzione p-n, permette il passaggio di corrente in
un senso e la impedisce nell'altro. Le zone p e n della giunzione e i relativi morsetti
di connessione sono denominati rispettivamente anodo e catodo. Esso può essere
assimilato ad un interruttore ideale che passa automaticamente dallo stato di
interdizione (in cui si comporta come un circuito aperto o meglio come un resistore
dotato di resistenza infinita) a quello di conduzione unidirezionale (in cui si
comporta come un cortocircuito o meglio come un resistore dotato di resistenza
nulla) quando la d.d.p. applicata tra anodo e catodo è positiva (polarizzazione
diretta) e ritorna allo stato di interdizione quando la corrente che lo attraversa si
annulla. Quando invece la d.d.p. applicata tra anodo e catodo è negativa
(polarizzazione inversa) è interdetto.
Nella figura M9-2 sono riportati, oltre al simbolo circuitale del diodo (il triangolo
indica la direzione che permette il flusso di corrente elettrica, mentre la sbarra ne
indica il blocco) anche alcuni tipi di diodi e gli andamenti temporali della tensione e
della corrente relativi al caso di carico ohmico e di carico ohmico-induttivo
alimentati da un generatore di tensione sinusoidale tramite un diodo.
Fig. M9-2
Nel caso di carico ohmico la corrente ha lo stesso andamento della tensione ai
morsetti del carico. Nel caso invece di carico ohmico-induttivo, essendo la corrente
in ritardo rispetto alla tensione, quando la tensione si annulla c'è ancora corrente che
fluisce nel circuito e poiché la corrente non può variare istantaneamente il diodo
continua a condurre applicando una tensione negativa al carico fino a che la corrente
non si annulla.
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Da questa struttura iniziale si sono evoluti nel tempo dispositivi a tre morsetti, come
i tiristori e i triac.
Il tiristore, denominato anche SCR, ha caratteristiche analoghe a quelle del diodo
con la sola differenza che è controllato in chiusura; esso ha infatti, oltre all'anodo e
al catodo, un terzo morsetto (gate) attraverso il quale, mediante un idoneo impulso
di corrente, si controlla l'istante di inizio di conduzione della corrente dall'anodo
verso il catodo.
In figura M9-3 sono riportati alcuni tiristori, la loro rappresentazione grafica dei gli
andamenti temporali di tensione e corrente relativi al caso di un carico ohmico e di
un carico ohmico-induttivo alimentati da un generatore di tensione sinusoidale
tramite un tiristore.
Fig. M9-3
Il tiristore quindi se è polarizzato direttamente conduce solo quando si invia al gate
un impulso di corrente e, una volta in conduzione, mantiene tale stato finché la
corrente che lo attraversa non si annulla.
Nel caso di carichi ohmico-induttivi l'energia immagazzinata nell'induttanza fa si che
circoli corrente nel carico anche dopo che la tensione si è invertita.
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Se si desidera che nel circuito elettrico di figura M9-3 la corrente possa circolare in
entrambi i sensi si deve ricorrere a due tiristori collegati in antiparallelo (fig. M9-4a)
o ad un triac (fig. M9-4b).
Il triac è un dispositivo a tre terminali, di cui due sono detti anodi e sono la via di
passaggio per la corrente controllata, mentre il terzo, gate, è l'ingresso di controllo.
Idealmente il triac equivale a due SCR collegati in antiparallelo con il gate in
comune, ciascuno dei quali conduce solamente nel semiperiodo dell'onda in cui è
polarizzato direttamente, da quando viene applicato un impulso di corrente al gate
fino al passaggio per lo zero della corrente.
L'applicazione tipica del triac si ha nei dispositivi per variare l'intensità luminosa di
lampade e per regolare la velocità di elettrodomestici e piccoli motori elettrici.
Fig. M9-4a
Fig. M9-4b
Fig. M9-4c
In figura M9-4c sono riportati gli andamenti temporali di tensione e corrente relativi
al caso di carico ohmico e ohmico-induttivo alimentato da un generatore di tensione
sinusoidale tramite due tiristori collegati in antiparallelo o un triac.
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Il GTO e l'IGCT (fig. M9-5) presentano rispetto al tiristore il vantaggio di poter
effettuare tramite gate, oltre all'accensione, anche lo spegnimento.
Tali componenti sono adatti per applicazioni di elevate potenze ma basse frequenze
di commutazione (< 3 kHz).
Il transistore è un dispositivo comandato sia in chiusura che in apertura. I tipi più
comuni sono: i MOSFET (fig. M9-6) per applicazioni di bassa potenza (alcuni kW)
ed elevate frequenze di commutazione (>100kHz) e gli IGBT (fig. M9-7)
largamente utilizzati per il controllo del moto dei motori.
Fig. M9-5
Fig. M9-6
Fig. M9-7
In figura M9-8 sono indicati i campi di tensione, corrente e frequenza dei vari
semiconduttori controllati
Fig. M9-8
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M10 - Convertitori statici.
I tipi di convertitori statici attualmente più diffusi sono:
- i raddrizzatori che hanno in ingresso tensioni alternate di ampiezza e frequenza
costanti e forniscono in uscita tensioni periodiche di valore medio costante (nel caso
di raddrizzatori a diodi) o regolabile (nel caso di raddrizzatori a SCR); tali
convertitori, che si trovano anche in molti oggetti elettronici (televisioni, PC, caricabatterie etc), sono largamente impiegati negli azionamenti elettrici;
- i chopper che hanno in ingresso tensioni continue di ampiezza costante e forniscono
in uscita tensioni periodiche di valore medio regolabile; tali convertitori sono utilizzati
nella maggior parte degli strumenti mobili alimentati da batterie (cellulari e
computer), che spesso necessitano livelli di tensione differenti da quello fornito dalla
batteria;
- gli inverter che hanno in ingresso tensioni (o correnti) continue di ampiezza
costante (o regolabile) e forniscono in uscita tensioni (o correnti) alternate con
valore efficace e frequenza della fondamentale regolabili; le applicazioni sono
molteplici: nell'automazione industriale e nella trazione elettrica per regolare la
velocità dei motori elettrici in corrente alternata, nei gruppi di continuità, nel
riscaldamento ad induzione, negli impianti fotovoltaici ed eolici, ecc.;
- i parzializzatori di tensione che hanno in ingresso tensioni alternate di ampiezza e
frequenza costanti ed in uscita tensioni alternate con valore efficace della
fondamentale regolabile.
La gamma di potenza dei convertitori statici varia da alcuni milliwatt (cellulari) a
centinaia di megawatt (sistemi di trasmissione ad alta tensione in corrente continua).
Nell'industria, la più comune applicazione è il controllo del moto dei motori elettrici;
con potenze che variano di solito da alcune centinaia di watt a decine di megawatt.
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M10-1. Raddrizzatori.
I raddrizzatori più comuni sono quelli a ponte trifasi. Nelle figure M10-1 e M10-2
sono riportati schema, tensioni in ingresso e tensioni ideali in uscita di un
raddrizzatore a ponte trifase a diodi (non controllato) e di un raddrizzatore a ponte
trifase a tiristori (controllato).
Fig. M10-1
Fig. M10-2
In commercio esiste una grande varietà di raddrizzatori a ponte integrati; ma la soluzione ottenuta collegando
opportunamente sei singoli diodi o tiristori è particolarmente indicata per correnti elevate, poiché facilita lo
smaltimento del calore. Ciascun semiconduttore (diodo o tiristore) del ponte presenta infatti, quando è attraversato
da corrente, una caduta di potenziale ai suoi capi relativamente costante e, nel caso più comune, pari a 0,7-1 volt e
quindi una potenza dissipata data dalla tensione presente ai suoi capi per la corrente che lo attraversa. Poiché in un
ponte raddrizzatore, durante ogni semionda, conducono contemporaneamente due semiconduttori, la potenza totale
è pari al doppio di quella dissipata da un singolo semiconduttore. I dispositivi raddrizzatori devono quindi essere
generalmente raffreddati per mezzo di alette metalliche ed eventualmente ventilatori. Nei più grandi apparati di
raddrizzamento il raffreddamento è spesso svolto da un circuito idraulico.
Ad ogni istante solo due dei sei elementi del raddrizzatore conducono: uno del
gruppo inferiore ed uno del gruppo superiore, non appartenenti alla stessa gamba.
L'elemento conducente del gruppo superiore (inferiore) é quello connesso alla
tensione di alimentazione più positiva (negativa): sempre nel caso di ponte a diodi,
solo dopo che é stato inviato un impulso di accensione al suo gate nel caso di ponte
a SCR.
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In figura M10-3 è riportato uno schema per la regolazione della velocità di un
motore in corrente continua con eccitazione a magneti permanenti. La parte di
potenza di tale azionamento è costituita da un raddrizzatore a ponte trifase a tiristori
che alimenta il circuito di armatura del motore. La parte di controllo comprende un
sensore di corrente (ad effetto Hall), un sensore di velocità (tachimetro), due
regolatori ed un generatore di impulsi, che, in base alla velocità desiderata (nw),
determina gli istanti di innesco dei vari tiristori, ritardando più o meno l'invio degli
impulsi ai relativi gate.
In figura M10-4 sono riportati gli andamenti ed i corrispondenti valori medi della
tensione ai morsetti di uscita del raddrizzatore per differenti valori dell'angolo di
ritardo α.
Fig. M10-3
Fig. M10-4
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M10-2. Chopper.
I chopper sono convertitori statici impiegati per regolare la tensione di
alimentazione dei motori in corrente continua nel caso in cui l'energia elettrica sia
disponibile sotto forma di tensione continua. Essi sono costituiti da transistori o da
tiristori in relazione all'entità della potenza e della frequenza di commutazione.
I chopper a transistori consentono frequenze di commutazione (5÷20 kHz) elevate
e comportano ottima risposta dinamica e bassa ondulazione di corrente.
Una struttura di chopper molto diffusa nel campo degli azionamenti di potenza
medio-piccola funzionanti in tutti e quattro i quadranti del piano C-Ω (macchine
utensili e robot) è quella a ponte (fig. M10-5, in cui non sono rappresentati i diodi
disposti in antiparallelo ai quattro transistori per consentire un flusso di energia
bidirezionale).
Fig. M10-5
Modulando contemporaneamente i transistori A e D (regolandone cioè i tempi di
apertura e di chiusura) e in modo complementare i transistori B e C, si può regolare
il valore medio della tensione di uscita in modo tale da ottenere un controllo del
moto in tutti e 4 i quadranti del piano C-Ω, conferendo al sistema alte prestazioni
dinamiche, l'ondulazione di corrente risulta però piuttosto elevata alle basse
velocità.
Modulando invece un solo transistore per volta (ad esempio A) e in modo
complementare l'altro transistore della stessa gamba (C) l'ondulazione di corrente
risulta minore, ma il controllo è limitato ad un solo quadrante e l'arresto del motore
avviene secondo le caratteristiche inerziali del carico applicato.
a)
b)
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Fig. M10-6
Nelle figure M10-6a e M10-6b sono riportati gli andamenti della tensione e della
corrente di armatura del motore rispettivamente nel caso di choppaggio unipolare
(controllo di un solo tasto per volta, ad esempio prima A e poi D) e di choppaggio
bipolare (controllo contemporaneo di due tasti, ad esempio A e D).
I chopper a tiristori consentono elevate potenze di commutazione (azionamenti per
ferrovie, metropolitane, ecc.) ma comportano complicazioni nel circuito di potenza e
in quello di controllo, in quanto lo spegnimento di un tiristore in conduzione non
può essere effettuato da controllo tramite il suo gate, ma é necessario portare a zero
la corrente che lo attraversa mediante un picco di corrente di polarità opposta e
pertanto le frequenze di commutazione sono basse (0,1÷1 kHz).
In figura M10-7 è riportato lo schema della sola parte di potenza di un azionamento
(funzionante in un solo quadrante del piano C-Ω) costituito da un chopper a tiristori
che alimenta un motore in corrente continua con eccitazione in serie.
L'accensione del tiristore principale Tp si effettua inviando un impulso al suo gate, lo
spegnimento inviando un impulso al gate del tiristore ausiliario Ta . In tale modo
infatti si consente la scarica del condensatore C che determina l'annullamento della
corrente che attraversa il tiristore principale.
Fig. M10-7
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M10-3. Inverter.
Per il controllo del moto dei motori in corrente alternata trifasi, si utilizza in genere
un dispositivo costituito da due convertitori statici con un filtro nel circuito
intermedio. Il convertitore lato rete è un raddrizzatore a ponte a diodi, a tiristori, o a
transistori, quello lato motore è un inverter a transistori o tiristori.
Esistono due tipi base di inverter:
- a tensione impressa (VSI) per potenze sino al MW,
- a corrente impressa (CSI) per potenze superiori al MW.
L'inverter più diffuso (fig. M10-8) è quello a tensione impressa a ponte trifase, in
ognuna delle cui gambe sono disposti due tasti elettronici ognuno costituito da un
transistore con in antiparallelo un diodo (la cui funzione è consentire l'inversione
della corrente). A monte dell'inverter VSI è disposto in genere un filtro LC, un ramo
di frenatura e un raddrizzatore a ponte trifase non controllato,.
Fig. M10-8
In figura M10-9 è riportato un confronto schematico tra un chopper ed un inverter.
Fig. M10-9
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Attraverso il controllo dell'inverter si può variare sia la frequenza che l'ampiezza
della componente fondamentale della tensione ai suoi morsetti di uscita.
Nel caso si utilizzi un controllo di modulazione della larghezza degli impulsi
(PWM), che rappresenta quello di gran lunga più diffuso negli inverter VSI, in
uscita si ha un sistema trifase di tensioni alternate, costituite da una successione di
impulsi di larghezza variabile e di ampiezza costante uguale a quella della tensione
continua di ingresso all'inverter (fig. M10-10a).
Fig. M10-10a
Fig. M10-10b
Modulando opportunamente la larghezza di ciascun impulso si regola l'ampiezza
della fondamentale di tensione e si spostano le armoniche verso frequenze molto più
alte, ottenendo così una corrente pressoché sinusoidale (fig. M10-10b).
L'inverter CSI è costituito da un ponte trifase a tre gambe, in ognuna delle quali
sono disposti due diodi e due tiristori; inoltre tra le tre gambe sono inseriti sei
condensatori di commutazione (fig. M10-11).
Fig. M10-11
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A monte dell'inverter è disposto un raddrizzatore a ponte trifase a tiristori che,
assieme ad un filtro induttivo e ad un anello di corrente, si comporta praticamente
come un generatore controllato di corrente.
Con la parte a monte dell'inverter si regola quindi l'ampiezza della corrente in
funzione della coppia che il motore deve sviluppare; con l'inverter, in cui sono attivi
contemporaneamente solo due dei sei tiristori, si regola la frequenza della corrente
in funzione della velocità desiderata.
La forma d'onda della corrente con cui si alimenta il motore é praticamente
rettangolare.
L'inverter CSI é robusto ed è particolarmente adatto per azionamenti di grande
potenza funzionanti su quattro quadranti, che non richiedono elevate prestazioni
dinamiche ma il recupero dell'energia durante le fasi di frenatura. E' però costoso e
comporta elevate ondulazioni di coppia a causa della forma d'onda praticamente
rettangolare della corrente.
Nella figura M10-12 è riportata la foto di un inverter VSI.
Fig. M10-12
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M10-4.
Parzializzatori di tensione.
Sono dispositivi costituiti da due tiristori in antiparallelo (o un triac nel caso di
piccola potenza) per ogni fase del motore (fig. M10-13). Regolando il ritardo di
innesco dei tiristori si parzializza più o meno la tensione di alimentazione del motore
e quindi si varia la relativa caratteristica meccanica in proporzione quadratica
rispetto alla variazione del valore efficace della fondamentale della tensione di
alimentazione.
Fig. M10-13
Tale convertitore é adatto per ottenere piccole variazioni della velocità del motore
entro limiti del 10% in meno della sua velocità nominale. Esso consente inoltre di
limitare la corrente di spunto e di ridurre le perdite nel motore quando funziona a
basso carico.
Comporta però alcuni inconvenienti, in particolare: rendimento, fattore di potenza e
coppia di spunto ridotti, inquinamento nella rete di alimentazione e stress
termomeccanici del motore.
Nella figura M10-14a è riportato un circuito comprendente un generatore di tensione
sinusoidale, un parzializzatore di tensione monofase a triac e un carico ohmicoinduttivo. Nella figura M10-14b sono riportati i relativi andamenti di tensione e
corrente nel carico.
Fig. M10-14a
Fig. M10-14b
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M10-5.
Armoniche.
I generatori elettrici e quindi la rete Enel forniscono tensioni sinusoidali, ma se il
carico non è lineare (come nel caso di azionamenti elettrici, UPS, computers,
saldatrici, elettrodomestici, ecc. a causa della presenza di convertitori statici) le
correnti non sono sinusoidali e, a causa delle conseguenti cadute di tensione, anche le
tensioni non sono sinusoidali.
In figura M10-15 è riportato l'andamento della corrente assorbita da un raddrizzatore a
ponte a diodi alimentato con tensione sinusoidale.
Fig. M10-15
La presenza delle armoniche di corrente comporta fenomeni indesiderati, quali:
-aumento delle perdite e precoce deterioramento degli isolanti;
-basso fattore di potenza, e quindi correnti più alte del necessario per una data potenza
con aumento delle perdite nei cavi di alimentazione;
-aumento del rumore acustico e delle ondulazioni di coppia dei motori;
-danneggiamento dei condensatori di rifasamento a causa delle maggiori correnti
dovute alla diminuzione della reattanza capacitiva;
-interferenze con altri dispositivi allacciati alla stessa rete di alimentazione.
Gli edifici adibiti ad uffici con elevata densità di personal computers e gli impianti
industriali che utilizzano un notevole numero di azionamenti elettrici sono tipici luoghi
in cui frequentemente si possono verificare i suddetti problemi. Come regola generale
solo se i carichi non lineari rappresentano una aliquota maggiore del 20% di tutti i
carichi allacciati allo stesso sistema di alimentazione si devono adottare delle strategie
per ridurre il livello di contenuto armonico della corrente, quali:
- inserire induttanze addizionali in serie all'ingresso del convertitore;
- utilizzare raddrizzatori trifasi, che comportano correnti con un contenuto armonico
minore (circa il 30%) di quello dei monofasi di pari potenza;
- utilizzare filtri armonici passivi; tali filtri sono molto diffusi in quanto semplici e poco
costosi, essi sono infatti costituiti da più rami LC dimensionati in modo da costituire un
percorso preferenziale per le correnti armoniche, il loro uso richiede però cautela
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poiché essi possono generare fenomeni di risonanza ed alterano la risposta in
frequenza dell'impianto elettrico;
- utilizzare filtri armonici attivi; sono dispositivi che praticamente annullano la
distorsione iniettando nella rete correnti armoniche uguali ma di fase opposta alle
correnti da filtrare (fig. M10-16); essi sono quindi equivalenti a generatori ideali di
corrente e pertanto la loro inserzione non provoca fenomeni di risonanza; essi inoltre
consentono di ottenere una minore distorsione armonica residua (5% rispetto al
10÷15% dei filtri passivi), ma sono più costosi;
Fig. M10-16
-sostituire al raddrizzatore a ponte a diodi o ad SCR uno stadio di ingresso attivo
(inverter a transistori), che forza la corrente di ingresso ad essere sinusoidale e in fase
con la tensione di alimentazione e quindi con fattore di potenza di ingresso prossimo
all'unità.
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