Applicazioni della corrente continua in media tensione

Applicazioni della corrente continua in media tensione: introduzione

A più di cent’anni dall’accesa disputa tra Thomas Edison e George Westinghouse, nota come la “Guerra delle correnti”, il dibattito tra l’opportunità nell’utilizzo della corrente continua (DC) rispetto all’ormai diffuso utilizzo
della corrente alternata (AC) è ancora in corso.

Infatti, lo sviluppo di moderni convertitori statici e la diffusione da una parte di fonti di energia rinnovabili (es. la generazione fotovoltaica) e dall’altra di nuove categorie di utilizzatori operanti direttamente in corrente continua (es. la distribuzione a bordo nave soprattutto di tipo militare, i data center e i veicoli elettrici) ha riaperto per quest’ultima la possibilità di trovare un’applicazione importante non solo in specifiche applicazioni ma anche, più in generale, nella distribuzione dell’energia elettrica.

L’evoluzione dei carichi elettrici e della produzione di energia

Con la predominanza della distribuzione in AC i progettisti di apparecchi utilizzatori sono stati costretti a progettare l’apparecchio stesso o la sua alimentazione in modo che si adattasse alla tensione di riferimento in AC. La mancanza di una unificazione a livello mondiale con diversi livelli di tensione e due o più frequenze di riferimento, principalmente 50 e 60 Hz, ha comunque complicato lo sviluppo dei prodotti dovendo le aziende differenziarli a seconda del mercato.

Con la recente progressiva introduzione di apparecchiature digitali, la cui alimentazione interna è necessariamente in DC, i progettisti hanno dovuto sviluppare degli stadi di conversione, ovvero dei raddrizzatori AC/DC, per il loro collegamento alla rete, inizialmente senza preoccuparsi molto della loro efficienza. Oggi, la massiccia presenza di tali carichi, pur con i progressi avvenuti in termini di efficienza e controllo dei raddrizzatori, impone una riflessione sulla struttura della rete di distribuzione attuale.

I carichi alimentati direttamente in AC stanno rapidamente diminuendo anche in settori, quale ad esempio quello dei motori elettrici, dominati da tale alimentazione. Nelle nostre case e uffici sono presenti in gran numero personal computer, stampanti, apparecchi telefonici, televisori, impianti Hì-Fi; tutti questi dispositivi sono carichi alimentati in DC tramite raddrizzatori e rappresentano già circa il 20% del consumo totale di energia elettrica.

Considerando la rapida introduzione dell’illuminazione a LED, molto più efficiente di quella ad incandescenza inventata da Thomas Edison, dei veicoli elettrici, che sono caricati in DC con un carico importante, e di tutti quei carichi tradizionalmente alimentati in AC (es. lavatrici e condizionatori) ma che oggi, per un controllo della velocità del motore e per una migliore efficienza, utilizzano dei convertitori di frequenza statici o inverter, si può prevedere che nei prossimi anni i carichi in DC raggiungeranno il 50% dei consumi totali.

A livello industriale, val la pena ricordare altri processi in DC quali i forni ad arco, presenti sia in AC che in DC, ma più efficienti in quest’ultimo caso, alcuni processi elettrochimici, le ferrovie, i sistemi di telecomunicazioni e i data center, i servizi ausiliari e di protezione delle centrali di produzione e delle cabine primarie, tutti i sistemi UPS (Uninterruptible Power Supply) e in generale tutti i sistemi di accumulo basati su batterie.

L’opportunità, quindi, di risparmiare fino al 15-20% delle perdite totali di energia alimentando direttamente i suddetti carichi in DC o migliorando il rendimento dei convertitori eliminando il modulo di raddrizzamento spingerà sempre più verso un aumento dell’utilizzo della corrente continua.

La produzione di energia da fonti rinnovabili

L’ulteriore importante elemento da considerare è il rapido aumento della produzione di energia elettrica da fonti rinnovabili, sulla spinta dei governi e dell’opinione pubblica preoccupati dai rapidi cambiamenti climatici (vedere la Guida tecnica: Le Smart grid – 1. Introduzione).

La fonte principale di alimentazione in DC sono i pannelli fotovoltaici (PV) e, in forma molto minore, le celle a combustibile. Queste due fonti oggi necessitano di un inverter per l’allacciamento alla rete in AC. Anche i sistemi di accumulo dell’energia elettrica basati su batterie necessitano di un inverter per la connessione con l’aggiunta di un sistema di controllo complesso per le fasi di carica e scarica. I generatori eolici possono produrre sia in DC che in AC; tipicamente oggi la produzione viene fatta in AC con lunghe linee di connessione a 36 kV tra i parchi eolici e la rete di distribuzione.

Vista la grande diffusione di pannelli fotovoltaici sugli edifici sia per uso domestico che nel terziario, si può già pensare ad edifici con una propria rete in DC con una perfetta integrazione tra produzione e consumi, come vedremo successivamente.

I convertitori statici

L’attuale struttura delle reti di distribuzione in AC necessita di tre tipi di convertitori statici per la connessione dei carichi e della generazione distribuita:

• Convertitori AC-DC, detti anche raddrizzatori: sono dei dispositivi che forniscono una grandezza continua in uscita da una grandezza alternata in ingresso;
• Convertitori DC-AC, detti anche inverter: sono dei dispositivi che forniscono una grandezza alternata in uscita da una grandezza continua in ingresso;
• Convertitori AC-AC, sono dispositivi che presentano sia in ingresso sia in uscita una grandezza alternata. Vengono normalmente utilizzati per l'avviamento e la regolazione dei motori elettrici con il nome di driver.

Nel caso di reti in DC, al posto di questi ultimi troviamo i convertitori DC-DC, dispositivi che presentano sia in ingresso sia in uscita una grandezza continua al fine di variare il livello di tensione analogamente a quanto avviene con i trasformatori in AC.

Esistono diversi tipi di dispositivi a semiconduttore utilizzati nei convertitori statici:

• il diodo è un dispositivo che può condurre lacorrente in un solo senso e non può essere controllato;
• l’SCR (Silicon Controlled Rectifier) è un dispositivo della famiglia dei tiristori utilizzato per controllare il passaggio della corrente dall’anodo al catodo;
• il GTO (Gate Turn-Off thyristor) è un dispositivo in cui la transizione dallo stato di conduzione allo stato interdetto è più controllabile rispetto all’SCR;
• TRANSISTOR BJT (Bipolar Junction Transistor) anche questo è un dispositivo che rende più facile il controllo della corrente;
• il TRANSISTOR MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor); è un componente che può essere comandato in accensione e spegnimento, tramite un segnale in tensione applicato ad un terminale. Il componente è molto veloce in commutazione grazie a un circuito di comando molto semplice (tempi di turn-off dell’ordine di 100 ns)
• il TRANSISTOR IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) è un componente che abbina le basse perdite di conduzione del BJT con la velocità di commutazione del MOSFET;
• infine, l’ MCT (MOS-CONTROLLED THYRISTOR) è un componente che ha molte delle proprietà del GTO quali la bassa potenza dissipata a correnti medie e la stessa velocità di commutazione dell’IGBT. Tuttavia non è in grado di raggiungere le correnti elevate raggiunte dal GTO a causa della maggior complessità.

Le principali e più significative differenze tra i suddetti componenti sono le potenze in gioco e i tempi di commutazione; queste differenze ne determinano quindi l’applicazione in un campo industriale anziché in un altro.

SCR e GTO sono preferibili con potenze elevate, in quanto sopportano tensioni e correnti più elevate di quelle di un transistor (3000 V/ 3500 A per un diodo, 3000 V/1000 A per un SCR, 3600 V/600 A per un GTO, 400 V/250 A per un transistor). Viceversa, i tempi di commutazione per un transistor sono inferiori a 10 μs, mentre per un SCR è di 40 μs e per un GTO è di 25 μs.

Quindi se le potenze in gioco sono relativamente basse, si preferiscono i transistor, data la loro maggiore controllabilità che diventa una scelta obbligata, in particolare, nel caso di convertitori ad alta frequenza.

Nella tabella 1 sono riassunte in modo qualitativo le suddette principali caratteristiche.

Tabella 1: principali caratteristiche dei semiconduttori per la conversione dell’energia elettrica

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