Raddrizzatore Totalmente Controllato: Conversione AC-DC a Base di Tiristori con Controllo di Tensione
Un **Raddrizzatore Totalmente Controllato** usa **Tiristori (SCR)** invece di Diodi per **tutti** gli elementi di commutazione, consentendo una **Tensione di Uscita CC Controllabile** ritardando il punto di accensione (Angolo di Accensione α) rispetto al passaggio per lo zero della tensione CA.
Topologie
| Topologia | Tiristori | Fasi | Impulsi/Ciclo | Uso Tipico |
|---|---|---|---|---|
| Ponte Monofase Completo | 4 (T1-T4) | 1φ | 2 | Piccoli Azionamenti, Caricabatterie (<5kW) |
| Ponte Trifase Completo | 6 (T1-T6) | 3φ | 6 | **Standard Industriale** (Azionamenti CC, Elettrolisi, HVDC) |
| Semionda Trifase | 3 | 3φ | 3 | Obsoleto (Saturazione CC Trasformatore) |
Principio di Funzionamento: Controllo dell'Angolo di Accensione (α)
- α = 0°: Il Tiristore scatta al Punto di Commutazione Naturale (comportamento Diodo). **Vdc Max = Vdo**.
- 0° < α < 90°: **Modalità Rettifica.** Vdc = Vdo cos α. Il Potenza Fluisce CA → CC. (Vdo = 1.35 VLL(rms) per 3φ).
- α = 90°: Vdc = 0. Confine.
- 90° < α < 180°: **Modalità Inversione.** Vdc Negativa. Il Potenza Fluisce DC → CA. Richiede una **Sorgente CC Attiva** (Batteria, Contro-EMF Motore, Altro Raddrizzatore).
Forme d'Onda Chiave ed Equazioni (Ponte Trifase Completo)
- Tensione CC Media: Vdc = (3√2/π) VLL cos α = **2.34 VLL cos α** (a Vuoto).
- Corrente RMS di Uscita: Idc (con reattore di smorzamento).
- Corrente di Ingresso: Onda Quasi-Quadrata. **Fattore di Potenza di Spostamento (DPF) = cos α.** PF ↓ con α ↑.
- Armoniche: Lato CA: h = 6k ± 1 (5a, 7a, 11a, 13a...). **%THDI ≈ 30%** (Senza Filtro). Lato CC: 6a, 12a... (Richiede Reattore di Smorzamento).
Elementi di Progettazione Critici
- Driver di Gate: Trasformatori di Impulso Isolati / Opto / IC Driver di Gate. Devono fornire **Alto dI/dt** (1-5 A/µs) per accensione rapida. Accensione Rigida (Treno di Impulsi Continuo) per affidabilità.
- Commutazione: **Naturale (Commutata da Linea).** Richiede una Sorgente di Tensione CA. **Fallisce su Carico Passivo (solo R) ad Alta α** — La corrente va a zero prima che il prossimo tiristore scatti → **Fallimento di Commutazione.** Richiede un **Grande Reattore di Smorzamento (Ld)** per Conduzione Continua.
- Protezione: **Snubber (RC)** protezione dv/dt. **Crowbar / Fusibile Rapido (I²t)** per Cortocircuito. **MOV / TVS** per Sovratensione.
- Controllo: Analogico (Attraversamento Cosine) o Digitale (DSP/FPGA — PLL + Loop PI Tensione/Corrente + Calcolatore α).
Applicazioni
- Azionamenti Motore CC (Legacy / Alta Potenza): 4-Quadranti (Motore/Freno, Fwd/Rev) tramite Doppio Convertitore (Ponti Schiena-schiena) o Inversione di Campo.
- Elettrolisi / Elettrodeposizione / Fusione: Corrente Elevata (kA-MA), Bassa Tensione. Controllo Corrente Preciso.
- Trasmissione HVDC (LCC - Convertitore Commutato da Linea): ±800kV, 6400MW. 12-Impulsi (2×6-Impulsi, Sfasamento 30°) → 24-Impulsi. Filtri Armoniche (CA & CC).
- Caricabatterie (Industriale): Profili Corrente Costante / Tensione Costante.
- Sistemi di Eccitazione (Generatori Sincroni): Eccitatore Rotante / Eccitatore Statico.
Totalmente Controllato vs Semi-Controllato vs Non Controllato
| Tipo | Dispositivi | Controllo Vdc | Quadranti | PF a α>0 | Costo |
|---|---|---|---|---|---|
| Non Controllato (Diodo) | 6 Diodi | Fisso (Vdo) | 1 (Solo Rettifica) | ~0.95 | Basso |
| Semi-Controllato | 3 Tiristori + 3 Diodi | 0 a Vdo (α 0-90°) | 1 (Rettifica) | Meglio (Ruota Libera) | Medio |
| Totalmente Controllato | 6 Tiristori | Vdo a -Vdo (α 0-180°) | 2 (Rettifica + Inversione) | cos α (Scarso ad Alta α) | Alto |
Sostituto Moderno: Active Front End (AFE / Raddrizzatore PWM)
IGBT/SiC MOSFET + PWM + Filtro LCL → **PF Unità, THD Basso (<5%), Bidirezionale, Rigenerativo.** Sostituisce LCC in nuovi azionamenti, Stoccaggio Rete, Caricabatterie EV. **LCC rimane Re per >100MW HVDC.**