Convertitori elettronici, diodi e tiristori

Macchine elettriche

I sistemi fisici in cui avvengono delle trasformazioni di energia da una forma di energia all’altra sono denominati macchine elettriche. In questi sistemi, o la forma di energia in uscita o quella in entrata è energia elettrica. Queste macchine si dividono in:

• Macchine solo elettriche come ad esempio trasformatori e convertitori elettronici, che sono anche dette macchine statiche.
• Macchine elettromeccaniche come ad esempio motori sincroni e asincroni.

Convertitori elettronici

Il convertitore elettronico è una macchina elettrica statica che permette di variare non solo il livello di tensione, ma anche di gestire tutte le altre grandezze elettriche come frequenza, forma d’onda, livelli di corrente, ecc. Il convertitore elettronico è il grande protagonista della transizione verso il rinnovabile e fa da intermediario tra il produttore e le macchine che utilizziamo. Il sistema ibrido che abbiamo studiato non potrebbe esistere senza questo tipo di macchine.

Quindi il convertitore controlla il flusso di energia elettrica con una forma d'onda adatta ai carichi che vanno ad alimentare. Di fatto il generatore ha un valore di tensione e frequenza diversa dall’utilizzatore; inoltre è possibile interfacciare diverse reti. Le correnti, invece, verranno determinate dal carico, come gli sfasamenti tra tensioni e correnti. Inoltre, il flusso di potenza è reversibile, cioè anche l’utilizzatore può produrre energia per ridarla al sistema.

Applicazioni

• Alimentatori statici (es. alimentatori di un computer) e gruppi di continuità.
• Applicazioni per il risparmio energetico come l’illuminazione LED o per i limitatori dei frigoriferi oppure impianti di climatizzazione.
• Generazione di energia elettrica come convertitori DC/AC oppure regolatori di generatore sincrono che permettono di regolare il campo generato e di conseguenza la tensione di uscita.
• Trasmissione di energia elettrica come i convertitori elettronici per linee sottomarine in corrente continua che permettono di variare i livelli di tensione.
• Controllo dei processi industriali come inverter programmabili.
• Trasporti come treni e metropolitane.
• Applicazioni per l’industria per le macchine elettriche.

Classificazione

Per poter classificare il convertitore elettronico si fa riferimento al verso del flusso di energia. Esistono quindi:

• Raddrizzatori a diodi
• Convertitori AC/DC o raddrizzatori controllati: per questi il flusso di potenza va dalla parte in alternata a quella in continua, tipicamente dalla rete ad un utilizzatore DC come per esempio i caricabatteria. In questo caso però non è possibile invertire il flusso di potenza.
• Inverter (DC/AC) vengono utilizzati per tutte quelle applicazioni dove la corrente viene generata da un generatore a corrente continua, come i motori delle auto elettriche e i pannelli solari.
• Regolatori di tensione in AC (AC/AC) vengono utilizzati per alimentare motori sincroni, generatori eolici, gruppi di continuità.
• Convertitori DC/DC utilizzati come dei raddrizzatori ma la fonte di energia è a corrente continua.

Con queste macchine è possibile interfacciare diversi tipi di rete. In rosso, i possibili flussi di potenza.

Componentistica del convertitore elettronico

Interruttori di potenza (statici) realizzati in silicio monocristallino drogato (semiconduttori di tipo p e di tipo n), praticamente sono dei transistor. Il semiconduttore è un materiale tale per cui le bande di conduzioni atomiche sono vicine (a differenza degli isolanti) e a seconda dell’energia a cui vengono sottoposti. Inoltre, il drogaggio permette di modificare il comportamento elettromagnetico.