4 Trasformatori statici, raddrizzatori, invert: loro struttura e funzionamento

 IL TRASFORMATORE: FUNZIONAMENTO

Questi sono i principali modelli di trasformatore, nella realtà ne esistono altri ma non ci dilungheremo su di essi in quanto la lezione è fondata sul trasformatore statico. Proseguiamo quindi col parlare di trasformatori statici e ne studieremo il funzionamento più nel dettaglio iniziando dalla legge di Faraday che ne diede origine grazie allo studio dei fenomeni dell’induzione elettromagnetica. In quest’animazione ci concentreremo sul funzionamento di un trasformatore trifase. Essendo un dispositivo statico, questa tipologia di dispositivo non presenta parti mobili. Questo assicura, in condizioni normali di funzionamento, un lungo ciclo di vita del dispositivo.

Secondo il principio di funzione elettromagnetica, un campo magnetico variabile associato ad un semplice avvolgimento di bobina, indurrà una forza elettromotrice (f.e.m.) attraverso di esso.

Un tale campo magnetico oscillante può essere prodotto da una bobina percorsa da corrente elettrica.

Un conduttore percorso da corrente produce un campo magnetico attorno ad esso. In quest’animazione possiamo vedere il campo magnetico prodotto da una bobina.  

Grazie alla natura fluttuante della corrente alternata, anche il campo magnetico associato alla bobina fluttuerà.

Questo flusso magnetico può essere collegato ad un avvolgimento secondario con l’aiuto di un nucleo costituito di un materiale ferromagnetico.

A causa dell’induzione elettromagnetica, il campo magnetico fluttuante indurrà un campo elettromagnetico negli avvolgimenti secondari.

Poiché le spire sono disposte in serie, per ottenere il valore complessivo del campo magnetico indotto attraverso l’avvolgimento, è necessario sommare i singoli campi elettromagnetici indotti in ogni spira.

Dal momento che lo stesso flusso magnetico passa attraverso gli avvolgimenti primari e secondari, il campo magnetico sarà lo stesso per entrambi gli avvolgimenti in ogni spira.

Il campo magnetico per singola spira dell’avvolgimento primario è correlata alla tensione d’ingresso applicata come mostrato.

Di conseguenza il campo magnetico indotto sull’avvolgimento secondario, è espresso come segue.

Questo significa semplicemente che con un minor numero di giri dell’avvolgimento secondario rispetto all’avvolgimento primario, è possibile abbassare la tensione. 

Nel caso opposto si può aumentare la tensione, ma poiché vige la legge della conservazione dell’energia, le correnti sul primario e sul secondario devono obbedire alla seguente legge

IL TRASFORMATORE TRIFASE: FUNZIONAMENTO

I trasformatori trifase utilizzano tre di questi trasformatori monofasi, ma con una configurazione dell’avvolgimento leggermente diversa.

Qui gli avvolgimenti primario e secondario sono disposti in modo concentrico. In un trasformatore trifase sono necessari altri due di questi avvolgimenti.

I trasformatori con potenze nominali elevate impiegano un tipo soltanto di avvolgimento noto come avvolgimento a disco in cui diversi avvolgimenti a disco appunto, separati tra loro, sono collegati in serie attraverso le loro estremità esterne ed interne

Gli avvolgimenti di bassa tensione sono collegati in una configurazione a «triangolo», mentre gli avvolgimenti ad alta tensione sono configurati in una configurazione a stella. 

Pertanto la tensione di rete aumenta ulteriormente fino a tre volte sul lato di alta tensione. Questo significa anche che da un trasformatore trifase elevatore di tensione, possiamo ricavare quattro cavi di uscita ovvero tre fili di alimentazione trifase e uno neutro. 

L’energia elettrica è l’energia in uscita dal trasformatore necessita di boccole isolate ad alta tensione per facilitarne il passaggio nella rete di distribuzione.

Possiamo notare che il nucleo del trasformatore è formato da una pila di sottili lame in acciaio isotermico. Più strati di lamine in acciaio sono impilate insieme a formare un unico pezzo. Queste lamine consentono di ridurre al minimo le correnti parassite. Le correnti parassite in un nucleo di un trasformatore rappresentano una perdita indesiderata. Esse assorbono l’energia dalla rete e riducono l’efficienza del trasformatore. Queste correnti non possono essere completamente eliminate, ma possono essere ridotte il più possibile.

L’avvolgimento di bassa tensione è posizionato vicino al nucleo. Quando la potenza viene trasferita dal primo avvolgimento al secondo avvolgimento, possono verificarsi molti tipi di perdite di energia. Tutte queste perdite di energia sono convertite in calore. Per questo motivo i trasformatori devono avere un sistema di raffreddamento al loro interno per rimuovere il calore in eccesso prodotto da tali perdite.

I trasformatori trifase infatti sono solitamente immersi in una serpentina di raffreddamento per dissipare il calore. L’olio dissipa il calore tramite convenzione naturale, quando aumenta la sua temperatura si espande. Per questo motivo, un serbatoio posto al di sopra del trasformatore consente di ospitare l’olio in eccesso causato da questo cambiamento di volume. 

IL DIODO: FUNZIONAMENTO

La scelta di parlare di questa tipologia di macchine elettriche sta nel fatto che bisogna prepararsi per la propulsione elettrica, la propulsione del futuro e tutt’ora in atto su molte navi in special modo quelle passeggeri. La propulsione elettrica prevede l’impiego per ogni elica di un azionamento formato da un motore elettrico in sostituzione del tradizionale motore diesel e di un convertitore statico atto ad alimentarlo ed a regolarne la velocità. Quindi se l’impianto provvede un convertitore statico dovremmo per forza parlare di corrente continua e quindi di raddrizzatori. Vediamo però più nello specifico cosa è un raddrizzatore, vediamolo come macchina elettrica a parte cercando di capirne il funzionamento con un’animazione. Il diodo è un componente elettronico passivo, prevalentemente resistivo, non lineare, a due terminali la cui funzione è quella di permettere il flusso di corrente elettrica in una direzione e di bloccarla nell’altra.

I due terminali del diodo vengono chiamati anodo e catodo. 

La corrente elettrica fluirà dall’anodo al catodo seguendo la direzione mostrata nell’animazione qui sotto. Se si cerca di farla scorrere in direzione opposta, il diodo si blocca.

Il diodo è uno dei componenti elettronici passivi ovvero non introducono energia nel circuito in cui sono inseriti e non necessitano di un’alimentazione esterna in aggiunta al segnale in ingresso. Esistono moltissime varianti del diodo a seconda degli usi. Essi possono essere impiegati in numerosissime applicazioni elettroniche e sono parte integrante in numerosissimi dispositivi elettronici.

Ma come è fatto un diodo ? Possiamo notare che al suo interno vi è un materiale semiconduttore, in questo caso il silicio. Solitamente il silicio puro non presenta elettroni liberi al suo interno, in questo caso però il silicio in questione è stato drogato e per drogato s’intende che è stato sottoposto a diffusione di elementi diversi, ovvero sono state aggiunte all’interno del suo reticolo cristallino, delle piccole percentuali di atomi allo scopo di modificarne le proprietà.

Questi atomi sono chiamati atomi donatori poiché cedono degli elettroni al reticolo cristallino del silicio. Si creano così due parti distinte all’interno del diodo con due livelli diversi di carica. Una parte viene drogata al fine di ottenere un eccesso di elettroni e quindi viene caricata negativamente, mentre l’altra viene drogata in modo da ottenere un eccesso di lacune e quindi viene caricata positivamente. Chiameremo la parte caricata negativamente «N» e la parte caricata positivamente «P» distinguendo così la cosiddetta giunzione PN

Ora possiamo notare che nella parte «N» del diodo vi è una maggioranza di elettroni liberi, mentre nella parte «P» vi è una maggioranza di lacune ovvero posizioni mancanti di elettroni. In questa situazione la parte «N» avrà una tendenza a cedere gli elettroni in eccesso poiché questi si sposteranno naturalmente verso le lacune disponibili sul lato «P». 

Quindi la zona di confine della parte «P» viene leggermente caricata negativamente e la zona di confine della parte «N» viene leggermente caricata positivamente.  Tra le due parti quindi scorrerà una corrente che cercherà di bilanciare questa differenza di cariche. Questa corrente è chiamata corrente di diffusione.

Possiamo così vedere la cosiddetta zona di svuotamento. Essendoci in questa zona una carica positiva e negativa, si creerà un campo elettrico che andrà dal catodo «K» verso l’anodo «A». Questo campo elettrico causerà la formazione di un’altra corrente, la «corrente di deriva» che cercherà di bilanciare la precedente corrente di diffusione.

In presenza di un campo elettrico, si creerà un potenziale elettrico e di conseguenza un potenziale di barriera. Il potenziale di barriera si crea quando il campo elettrico si oppone ad un ulteriore migrazione di elettroni dalla parte «N» alla parte «P». Questo comporta una barriera contro il flusso di elettroni, questo valore di barriera si aggira intorno a 0,7 Volt

Collegando il catodo del diodo del polo positivo e l’anodo del diodo negativo di un generatore in questo caso di una batteria, si ottiene una polarizzazione inversa ovvero gli elettroni e le lacune verranno attratti in modo da polarizzare la giunzione PN in modo da aumentare la zona di svuotamento e, di conseguenza, opporsi al passaggio di corrente.

L’effetto della polarizzazione inversa è quindi quello di far allargare la regione di svuotamento. Se proviamo invece a connettere il polo positivo della batteria con la parte «P» del diodo la polarizzazione sarà diretta e la regione di svuotamento si restringerà.

Supponiamo che la nostra batteria abbia un voltaggio sufficiente a superare la barriera di potenziale, questo causerà il movimento degli elettroni spinti dal potenziale imposto dalla batteria. Quando gli elettroni attraversano la barriera di potenziale il loro moto non incontra più resistenza e occuperanno così più facilmente le lacune della parte «P»

Ora gli elettroni che si sono mossi dalla parte «N» per occupare le lacune della parte «P», a causa dell’attrazione del polo positivo della batteria, si sposteranno ulteriormente andando ad occupare le lacune successive per poi fluire attraverso il circuito esterno. Questa condizione è nota come polarizzazione diretta del diodo, in poche parole il diodo si comporta come una valvola di non ritorno solo che in questo caso il flusso non è rappresentato dall’acqua bensì dall’elettricità.

Ora proviamo a variare la tensione di ingresso e osserviamo la risposta del diodo. Con voltaggio invertito possiamo osservare un flusso di elettricità trascurabile

In polarizzazione diretta e voltaggio inferiore a 0,7 Volt si osserva un flusso di elettricità trascurabile, ma non appena superata tale barriera di potenziale ci sarà un forte incremento del passaggio di corrente. In ogni caso si nota che la tensione ai capi del diodo non può oltrepassare di molto 0,7 Volt anche nel caso di un’alta tensione d’ingresso. Questo dipende dalla condizione di polarizzazione diretta. In questo caso il diodo pone poca resistenza contro il flusso di corrente

La caratteristica del diodo di far scorrere la corrente in una sola direzione può essere applicata a molti dispositivi elettronici come il ponte raddrizzatore. Nella metà positiva il circuito farà scorrere corrente come mostrato nell’animazione. Gli altri due diodi si troveranno in una polarizzazione inversa. Nella metà negativa accade l’opposto, quindi otterremo la stessa direzione di flusso di elettroni all’uscita. In questo modo abbiamo cercato di dare una elementare spiegazione di come si possa trasformare una tensione sinusoidale in una continua che nella realtà risulterà pulsante.

INVERTER: FUNZIONAMENTO

Una volta visto il funzionamento del raddrizzatore possiamo vedere come funziona un inverter. In elettronica l’inverter è un apparato elettronico di ingresso / uscita in grado di convertire una corrente continua in ingresso in una corrente alternata in uscita e di variarne i parametri di ampiezza e frequenza.

Se si osserva la corrente alternata si vedrà un andamento ondulatorio in cui la tensione si alterna tra i suoi picchi MAX e MIN simmetrici passando per un valore nullo. Si può paragonare la corrente alternata al livello del mare fra le sue condizioni estreme di alta e bassa marea. Tra questi valori estremi di livello l’acqua del mare scorrerà a livelli intermedi cambiando anche direzione.

Le comuni batterie invece, forniscono corrente continua e rappresentano l’esempio tipico di generatori di corrente continua. La loro caratteristica è quella di presentare ai morsetti una polarità fissa ovvero un polo positivo e un polo negativo. Questo tipo di corrente è utilizzata principalmente da dispositivi come schede elettroniche. La corrente continua si trova sempre alla medesima tensione e il suo flusso scorre sempre in un’unica direzione rappresentabile da una linea retta.

Possiamo immaginare un fiume o un canale che scorre continuamente in modo rettilineo in una sola direzione con un flusso costante. Una tipologia più complessa di inventer è necessaria quando essi sono integrati in variatori di frequenza o unità di controllo del moto per il controllo della velocità, della coppia e della direzione dei motori in corrente alternata. Notiamo in quest’animazione l’ inverter è accoppiato ad un raddrizzatore, la corrente alternata in entrata viene convertita in continua e poi di nuovo in alternata ma i driver interni cambieranno la frequenza e di conseguenza la forma dell’onda sinusoidale. Questo permetterà di controllare con precisione, le prestazioni di un motore collegato ad un carico, un compressore, ecc.

In quest’animazione spiegheremo come ottenere della corrente elettrica con forma d’onda sinusoidale pura in uscita, da una corrente continua in entrata. La corrente alternata inverte periodicamente la sua direzione, per questo motivo il valore medio della corrente alternata su un ciclo è zero. 

Prima di procedere con la costruzione dell’onda sinusoidale, vediamo cosa è un’onda quadra. In quest’animazione possiamo vedere la costruzione di un circuito a 4 interruttori ed una tensione di ingresso. Questo circuito è noto come inverter a ponte di diodi. L’uscita è rappresentata dai punti A e B, in questo caso l’input è rappresentato da una batteria mentre questo (LOAD) rappresenta il carico ipotetico.

Come possiamo vedere, c’è un flusso di corrente solo se gli interruttori i1 e i3 sono collegati e i2 e i4 sono scollegati. Ora basta invertire ed osservare il flusso di corrente. E’ chiaro che in questo caso il flusso di corrente è opposto come la tensione di uscita attraverso il carico. Questa è la tecnica di base che produce una onda quadra alternata.

La frequenza della corrente alternata è di 50 Hertz, questo significa che avremmo bisogno di accendere e spegnere ogni interruttore 100 volte in un secondo, cosa impossibile da fare manualmente usando degli interruttori meccanici. Per questo motivo entrano in gioco gli interruttori a semiconduttori, i transistori MOSFET che sono capaci di effettuare l'accensione e lo spegnimento migliaia di volte al secondo usando segnali di controllo. Tali segnali possono regolare agevolmente l’accensione e lo spegnimento dei transistor.

La forma dell’onda quadra rappresenta la prima approssimazione di un’onda sinusoidale. I vecchi inverter che producono onde quadre sono facilmente riconoscibili dal loro ronzio durante il loro funzionamento come i ventilatori o altri apparecchi che utilizzano potenze in onda quadra anche perché solitamente i loro componenti interni si surriscaldano molto. I moderni inverter invece, producono onda sinusoidale pura in uscita. Vediamo nel dettaglio come fanno. 

La tecnica si chiama PWM (Pulse With Modulation) ovvero modulazione a larghezza di impulso. Lo scopo della modulazione e larghezza di impulso è semplice: si genera un impulso quadrato di ampiezza temporale e di tensione variabile in modo da comporre ad una forma molto simile ad una sinusoide.

Questa adesso è la parte più complicata: cosa succede se mettiamo questi impulsi in un piccolo intervallo di tempo ? Resteremmo sorpresi di vedere che la forma degli impulsi sembra molto simile alla curva sinusoidale. Più sottile è l’impulso che viene utilizzato, migliore sarà la forma sinusoidale. In questa situazione come possiamo produrre questi impulsi e come facciamo a trovare un modo pratico per ricavarne una media ? 

Vediamo ora come questi impulsi sono implementati in un inverter, per questo scopo si usano i comparatori. I comparatori confrontano un’onda sinusoidale con onde triangolari. Un comparatore usa l’onda sinusoidale e l’altro comparatore usa l’onda sinusoidale invertita. Il primo comparatore controlla gli interruttori i1 e i2, mentre il secondo comparatore controlla gli interruttori i3 e i4. Gli interruttori i1 e i2 determinano il livello di tensione nel punto A e gli altri due interruttori (i3 e i4) determinano il livello di tensione al punto B.

Quindi possiamo vedere che un ramo del comparatore è dotato di una logica esclusiva, vuol dire che quando i1 è aperto, i2 sarà chiuso e viceversa. Questo significa che non possiamo mai accendere i1 e i2 allo stesso tempo poiché questo causerà il corto circuito del circuito a corrente continua. 

L’accensione di i1 che dà tensione al punto A e l’accensione di i2 otterrà una tensione pari a zero, stessa cosa per il punto B. La logica di commutazione della modulazione a larghezza di impulso è semplice: quando il valore dell’onda sinusoidale è  superiore a quello dell’onda triangolare il comparatore produce un segnale altrimenti il segnale è zero. Ora osserviamo la variazione di tensione: il segnale di controllo di i1 accende il MOSFET, gli impulsi di tensione prodotti al punto A sono mostrati nell’animazione. Basta applicare la stessa logica di commutazione e osservare gli impulsi di tensione generati nel punto B 

Dal momento che stiamo tracciando la tensione di uscita tra il punto A e B, la tensione netta sarà ottenuta dalla differenza tra A e B. Questo è il treno di impulsi che abbiamo bisogno per creare questa onda sinusoidale. Più piccola ed accurata è l’onda triangolare più accurato è il treno di impulsi. La domanda ora è: come facciamo ad implementare in modo pratico la media per renderlo esattamente potenza elettrica alternata sinusoidale ?

Elementi passivi e attivi come induttori e condensatori sono usati per smussare la forma d’onda della potenza, questi elementi sono chiamati filtri passivi. Gli induttori agiscono sulla corrente mentre i condensatori sulla tensione e la combinazione di questi componenti passivi che compongono i cosiddetti filtri prendono l’andamento dell’onda più graduale e riducono l’andamento a scalino tipico delle conversioni a larghezza d’impulso

La tecnologia inverter che abbiamo ora spiegato ha solo due livelli di voltaggio, ma cosa succede se utilizziamo un livello di tensione aggiuntivo ? Questo darà una migliore approssimazione dell’onda sinusoidale e porterà ad una riduzione dell’errore istantaneo. Questa tecnologia inverter multilivello utilizza tecnologie di alta precisione. Gli inverter utilizzati a bordo delle navi con propulsione elettrica hanno un funzionamento analogo, ma vediamo questi ultimi un po’ più da vicino.