Raddrizzatori controllati, HVDC e correzione del fattore di potenza
Raddrizzatore a diodi e armoniche, ponte a tiristori con tensione media dimostrata, funzionamento da invertitore, ponte trifase a sei e dodici impulsi, HVDC, stadio PFC.
Quasi ogni apparecchio elettronico comincia con un raddrizzatore che trasforma la tensione alternata della rete in continua. Nelle potenze grandi, dai forni industriali alle linee di trasmissione in continua, il raddrizzatore è anche controllato, e regola la tensione d’uscita. In questa lezione vediamo il raddrizzatore a diodi con condensatore e il suo problema con le armoniche, il ponte controllato a tiristori con la dimostrazione della tensione media in funzione dell’angolo di accensione, il funzionamento da invertitore, il ponte trifase e la correzione del fattore di potenza.
Il raddrizzatore a diodi con condensatore
Il circuito più comune è un ponte di quattro diodi seguito da un condensatore di livellamento (lezione sui circuiti con diodi di Dispositivi elettronici). Il condensatore si carica solo vicino ai picchi della sinusoide, quando la tensione di rete supera la sua: la corrente assorbita dalla rete è fatta di impulsi stretti e alti, uno per semiperiodo. Lo spettro di questa corrente è ricco di armoniche dispari (terza, quinta, settima), e il fattore di potenza è basso, tipicamente 0,5-0,7, anche se la fondamentale è quasi in fase con la tensione (lezione sulle misure di potenza di Misure elettriche). Milioni di apparecchi così deformano la tensione della rete e sovraccaricano i conduttori di neutro, dove le terze armoniche delle tre fasi si sommano invece di annullarsi.
Il ponte controllato
Sostituendo i diodi con tiristori, ciascuno conduce solo da quando riceve l’impulso di accensione. Si misura l’istante di accensione con l’angolo di ritardo 
, contato dal punto in cui la tensione sul tiristore diventa positiva. Con un carico fortemente induttivo (un motore in continua, un elettromagnete) la corrente è praticamente costante e continua, e ogni coppia di tiristori conduce per mezzo periodo, da ad 
, anche quando la tensione di rete è già diventata negativa.
Teorema. Con tensione di rete di valore efficace 
e corrente continua, il valor medio della tensione d’uscita del ponte monofase controllato è
![\[ V_d = \frac{2\sqrt{2}}{\pi}\,V\cos\alpha \]](https://www.electronics-engineering.com/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-32dbd6628fad769e57d35856fade933c_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
Dimostrazione. In ogni semiperiodo l’uscita vale 
per 
da ad . Il valor medio è
![\[ V_d = \frac{1}{\pi}\int_{\alpha}^{\alpha+\pi}\sqrt{2}V\sin\theta\,d\theta = \frac{\sqrt{2}V}{\pi}\big[-\cos\theta\big]_{\alpha}^{\alpha+\pi} = \frac{\sqrt{2}V}{\pi}\big(\cos\alpha - \cos(\alpha + \pi)\big) = \frac{2\sqrt{2}}{\pi}V\cos\alpha \]](https://www.electronics-engineering.com/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-f7604091dc1b85550770421740a8bc60_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
perché 
. ∎
Con 
si ritrova il raddrizzatore a diodi, 
; aumentando la tensione media scende con il coseno.
Il funzionamento da invertitore
Per 
il coseno è negativo e la tensione media d’uscita cambia segno, mentre la corrente, imposta dai tiristori, resta nello stesso verso: la potenza media 
diventa negativa e fluisce dal lato continua verso la rete. Il convertitore funziona da invertitore “trascinato dalla rete”. È così che un azionamento in continua frena un treno o un ascensore restituendo energia (frenatura rigenerativa), e che funzionano le stazioni di arrivo delle linee di trasmissione in continua.
Il ponte trifase
Nelle potenze grandi si usa il ponte trifase a sei tiristori, che preleva corrente da tutte e tre le fasi. L’uscita è fatta di sei calotte per periodo (raddrizzatore a sei impulsi), con un’ondulazione molto minore, e il valor medio, con lo stesso calcolo esteso su un sesto di periodo, è
![\[ V_d = \frac{3\sqrt{2}}{\pi}\,V_{LL}\cos\alpha \approx 1{,}35\,V_{LL}\cos\alpha \]](https://www.electronics-engineering.com/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-9b6b0552e08f28a6cf083501764b82cf_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
con 
la tensione concatenata. Le armoniche della corrente di rete sono solo quelle di ordine 
(5, 7, 11, 13…). Mettendo due ponti in serie alimentati da trasformatori sfasati di 30° si ottiene un raddrizzatore a dodici impulsi, che cancella anche la quinta e la settima. È la struttura delle stazioni di conversione delle linee HVDC (trasmissione in continua ad altissima tensione), che portano gigawatt su migliaia di chilometri o sotto il mare con meno perdite della corrente alternata.
La correzione del fattore di potenza
Le norme (come la IEC 61000-3-2) limitano le armoniche di corrente degli apparecchi sopra qualche decina di watt. La soluzione è lo stadio di correzione del fattore di potenza (PFC): un convertitore boost (lezione sui convertitori DC-DC) posto subito dopo il ponte a diodi, senza condensatore grande a monte. Il suo controllo fa sì che la corrente nell’induttore, e quindi quella prelevata dalla rete, segua istante per istante la forma sinusoidale della tensione raddrizzata, con un’ampiezza scelta dall’anello lento che regola la tensione d’uscita, tipicamente 400 V. Il risultato è un fattore di potenza oltre 0,99 e armoniche trascurabili. Il condensatore grande sta a valle del PFC, e assorbe l’ondulazione a 100 Hz della potenza istantanea, che in un sistema monofase è inevitabile. Dopo il PFC un convertitore isolato (lezione sui convertitori isolati) produce le tensioni finali: è lo schema di tutti gli alimentatori di qualità, dai computer ai caricabatterie delle auto.
