Motori DC
e convertitori controllati

1.1 Sezione trasversale e componenti

1.2 Due circuiti alimentati indipendentemente

Nei transitori si aggiunge al bilancio elettrico il termine L_a·dI_a/dt. La coppia utile all'albero è minore della coppia elettromagnetica a causa delle perdite meccaniche e magnetiche.

1.3 Come si legge una targa

1.4 Potenza meccanica e coppia

Per esempio, una macchina da 1000 kW a 100 rpm sviluppa una coppia nominale di circa 95,5 kNm. A pari coppia e metà velocità svilupperebbe metà potenza meccanica.

1.5 Come il collettore mantiene la coppia nello stesso verso

La corrente nei conduttori del rotore genera forze elettromagnetiche nel campo prodotto dai poli. Poiché i conduttori ruotano, la polarità della corrente nelle bobine deve invertirsi al momento opportuno: lo fanno collettore a lamelle e spazzole. Senza la commutazione, la coppia delle singole spire cambierebbe segno durante la rotazione.

Nel passaggio di una bobina sotto una spazzola, la corrente deve invertirsi in un intervallo molto breve. La sua induttanza si oppone al cambiamento: per questo possono comparire scintillii al collettore. I poli ausiliari (interpoli) e, nelle macchine più impegnative, gli avvolgimenti compensatori contrastano gli effetti della reazione di armatura e favoriscono la commutazione.

1.6 Bilancio della tensione e coppia utile

La coppia elettromagnetica non coincide esattamente con quella disponibile all'albero: attrito, ventilazione e altre perdite assorbono parte della potenza. Anche il rendimento cambia con corrente e velocità; non è una costante universale.

1.7 Servizi e limiti termici

2.1 Le due zone operative

2.2 Controllo a cascata velocità–corrente

1. Il PI di velocità confronta riferimento e misura e genera una richiesta di corrente/coppia.
2. Il limitatore applica i vincoli consentiti dal motore e dall'azionamento.
3. Il PI di corrente, più rapido, regola l'angolo di accensione del convertitore per seguire I_a,ref.
4. Il controllo del campo mantiene Φ nominale o lo riduce quando si opera sopra la velocità base.

2.3 Schema dei regolatori e grandezze misurate

La regolazione di velocità confronta n_ref e n_mis e produce un riferimento di corrente. Il regolatore di corrente, che legge il valore effettivo dell'armatura, determina la tensione DC necessaria tramite il comando del convertitore. I limiti di coppia, corrente e tensione hanno priorità rispetto all'inseguimento della velocità.

Se il riferimento di corrente viene saturato, un anti-windup impedisce che l'integratore del PI di velocità continui ad accumulare un errore non recuperabile. Analogamente il passaggio manuale/automatico richiede una gestione coerente delle condizioni iniziali.

2.4 Controllo dell'eccitazione e deflussaggio

Sotto la velocità base si mantiene di solito il flusso nominale. Sopra la velocità base la tensione di armatura ha raggiunto il limite disponibile: diminuire il flusso riduce E = k_eΦω alla velocità data, permettendo di aumentare ω. A parità di I_a, però, la coppia C = k_tΦI_a diminuisce.

Non si può aumentare arbitrariamente il flusso sotto la velocità base: saturazione magnetica, isolamento del campo, perdite e caratteristiche del costruttore pongono limiti precisi. Altrettanto importante è la protezione per perdita di eccitazione, che in alcune condizioni può provocare sovravelocità.

2.5 Che cosa accade a un gradino di coppia resistente

1. Il carico meccanico aumenta e il rotore tende a rallentare: J·dω/dt = C_m − C_r.
2. Il PI di velocità richiede più corrente, fino ai limiti consentiti.
3. Il PI di corrente comanda la tensione del convertitore per far crescere I_a.
4. Se la corrente o la tensione massima è raggiunta, il motore non può mantenere indefinitamente la velocità richiesta.

3.1 Commutazione e angolo α

In conduzione continua ideale conducono normalmente due tiristori per volta (uno superiore e uno inferiore). Ogni tiristore conduce per circa 120° e avviene una commutazione ogni 60° elettrici. A rete 50 Hz il ripple principale della tensione raddrizzata è 6 × 50 = 300 Hz.

L'angolo α rappresenta il ritardo di innesco rispetto al punto naturale di commutazione. Regolando questo ritardo si regola la tensione DC media.

3.2 Il legame con la rete

La corrente di fase di un ponte ideale a 6 impulsi è non sinusoidale. Le sue armoniche caratteristiche, nel caso equilibrato, hanno ordine h = 6k ± 1: 5ª, 7ª, 11ª, 13ª, ecc. Il fattore di spostamento fondamentale è circa cos α, ma il fattore di potenza totale è inferiore a causa della distorsione armonica.

3.3 Come conducono i sei tiristori

Un SCR ha anodo, catodo e gate: se è polarizzato direttamente, l'impulso sul gate lo porta in conduzione; lo spegnimento avviene quando la corrente si riduce sufficientemente o viene commutata. Il gate non consente di spegnere liberamente uno SCR convenzionale.

Con numerazione convenzionale T1–T6 e corrente DC pressoché continua, la sequenza dei tiristori innescati è ciclica. La tabella elenca le coppie conduttrici per sei intervalli successivi, assumendo la convenzione T1/T3/T5 superiori e T4/T6/T2 inferiori.

Ogni SCR conduce circa 120°; la corrente di ciascuna fase lato AC assume idealmente valori +I_DC, 0, −I_DC. Da questa forma d'onda derivano le correnti RMS e la distorsione.

3.4 Sovrapposizione di commutazione e inversione

La reattanza dell'alimentazione impedisce alla corrente di trasferirsi istantaneamente da un tiristore al successivo. Per un breve intervallo, detto angolo di sovrapposizione μ, conducono più dispositivi contemporaneamente: la tensione media DC effettiva diminuisce rispetto a 1,35 V_LLcosα e si formano intagli sulla tensione AC.

Per α maggiore di 90° la tensione media ideale diventa negativa. Un ponte può trasferire potenza attiva verso la rete soltanto con corrente DC mantenuta da una sorgente attiva sul lato continuo e adeguato margine di estinzione. È il funzionamento da inverter a commutazione di rete, non da inverter PWM autonomo.

4.1 Principio

Un trasformatore con due sistemi secondari opportunamente sfasati (spesso Y e Δ) alimenta due ponti a 6 impulsi. Le rispettive commutazioni risultano intercalate. In condizioni appropriate il ripple di uscita principale passa da 300 a 600 Hz a rete 50 Hz.

4.2 Serie e parallelo

4.3 Armoniche: che cosa migliora davvero

La cancellazione ideale delle armoniche 5ª e 7ª avviene sul lato comune della rete, non all'interno di ciascun ponte. Squilibri, differenze di accensione o correnti non uniformi introducono armoniche residue.

4.4 Il significato dei 30° elettrici

La condizione chiave è che i due sistemi producano correnti appropriate sia per ampiezza sia per fase. La cancellazione delle armoniche 5ª e 7ª è un risultato della combinazione sul lato primario del trasformatore; non significa che i singoli ponti siano privi di tali armoniche.

4.5 Confronto quantitativo delle armoniche

Nel modello a corrente rettangolare ideale, l'ampiezza relativa delle armoniche caratteristiche è approssimativamente 1/h rispetto alla fondamentale. Squilibri, differenze di α, tensioni non sinusoidali e reattanze diverse introducono armoniche non caratteristiche e residui di ordini teoricamente cancellati.

4.6 Regolazione simultanea e sequenziale

Nel parallelo gli stadi devono condividere la tensione DC e ripartire la corrente, mediante reattanze, reattori interfasici e idonei controlli. Angoli di accensione molto diversi non sono liberamente imponibili su ponti rigidamente paralleli.

5.1 Le relazioni essenziali

Nel caso puramente sinusoidale D = 0 e torna il triangolo P–Q–S. Nei ponti a tiristori la presenza di armoniche porta in generale FP totale inferiore al cosφ della fondamentale.

5.2 Cosa accade aumentando α

Con corrente DC costante e condizioni ideali, la potenza apparente fondamentale S₁ rimane quasi costante. Si modificano invece la componente attiva e quella reattiva fondamentale secondo P ≈ S₁cos α e Q₁ ≈ S₁sin α (regime di raddrizzamento).

5.3 Un ponte che restituisce energia può comunque assorbire Q

Nel funzionamento rigenerativo, con convertitore a commutazione naturale, la potenza attiva può fluire dal DC alla rete AC. La richiesta di reattiva fondamentale può invece rimanere assorbita dalla rete. Segno di P e segno di Q non devono quindi essere confusi.

5.4 Fondamentale e armoniche: due impegni di corrente

Il triangolo delle potenze P–Q vale per la fondamentale. In presenza di corrente deformata la potenza apparente totale supera S₁. Il termine D non è una potenza attiva o una reattiva fondamentale: rappresenta l'impegno RMS delle correnti armoniche nel modello indicato.

5.5 Esempio: fattore di spostamento uguale, FP diverso

Per il ponte a 6 impulsi ideale, con corrente DC costante, THD_I ≈ 31%; perfino con α = 0° il fattore di potenza totale non è 1 ma circa 0,955. È un valore teorico che cambia con impedenze e caratteristiche dell'alimentazione.

5.6 Potenza rigenerativa e convenzioni di segno

Con P positiva dalla rete al DC siamo nel funzionamento raddrizzatore. Quando il flusso di energia attiva si inverte, P può diventare negativa; tuttavia un ponte a tiristori a commutazione naturale può continuare a richiedere Q₁ induttiva alla rete. In pratica P negativa non implica Q negativa.

6.1 Che cosa cambia inserendo Q_c

Il convertitore continua a utilizzare la corrente DC richiesta: diminuisce invece, per la componente compensata, la corrente a monte del punto di inserzione dei condensatori o del compensatore.

6.2 Tipi di compensazione

6.3 Banco disaccordato e filtro accordato: non sono sinonimi

Entrambi possono avere un ramo LC serie, ma cambiano funzione e frequenza di accordo. Il banco disaccordato evita che il sistema condensatori-rete lavori in condizioni di risonanza sfavorevole alle armoniche presenti. Il filtro accordato è dimensionato per offrire bassa impedenza a determinate armoniche.

6.4 TSC e SVC: la differenza operativa

6.5 Due circuiti LC simili, due frequenze obiettivo diverse

In un banco disaccordato la frequenza propria del ramo LC viene scelta di solito al di sotto dell'armonica significativa più bassa da evitare; per esempio, con reattanza pari al 7% della reattanza capacitiva a 50 Hz, la frequenza propria ideale è circa 189 Hz. Questo non lo rende automaticamente un filtro della 5ª o della 7ª.

Un filtro accordato offre invece bassa impedenza presso uno specifico ordine armonico; nella pratica si considerano smorzamento, tolleranze, deriva dei componenti e possibili risonanze parallele con la rete.

6.6 TSC, TCR, SVC e STATCOM nel tempo

I condensatori producono Q in proporzione a V². Uno STATCOM può mantenere una corrente reattiva elevata anche con tensione ridotta entro i limiti di corrente, ma i MVAr disponibili diminuiscono comunque con V.

6.7 Perché la misura armonica resta indispensabile

L'aggiunta di capacità modifica l'impedenza della rete alle diverse frequenze: una corrente armonica può essere amplificata oppure può sovraccaricare condensatori e reattanze. La scelta di un accordo vicino all'11ª e 13ª non è automatica nemmeno in un impianto a 12 impulsi: servono le impedenze della rete, i modi di esercizio e gli eventuali residui di 5ª/7ª.

7.1 Procedura

1. Acquisire tensione di rete, corrente ammessa, P, Q₁ e contenuto armonico (o una stima D).
2. Calcolare S_lim = √3 V_LLI_lim con unità coerenti.
3. Verificare se P² + D² ≤ S_lim². In caso contrario, il solo rifasamento fondamentale non basta.
4. Calcolare Q_c,min, quindi aggiungere un margine ragionevole e studiare le condizioni a basso carico.
5. Verificare gradini, sovracompensazione, armoniche e dinamica prima di scegliere l'hardware.

7.2 Calcolatore parametrico

7.3 Dal MVAr al numero di gradini

Se la compensazione richiesta è 1,42 MVAr e ogni gradino eroga 0,5 MVAr alla tensione di lavoro, occorrono almeno tre gradini per superare quel valore: 3 × 0,5 = 1,5 MVAr. La scelta del numero effettivo deve poi verificare il carico minimo e le possibili combinazioni.

7.4 Esempio numerico verificabile

Si consideri una rete trifase equilibrata da 10 kV, un carico che assorbe P = 3 MW, Q₁ = 4 MVAr e D = 0,6 MVA, con limite S_lim = 4 MVA. Prima del rifasamento:

Con tre gradini da 0,5 MVAr, la compensazione effettiva è 1,5 MVAr: Q residua = 2,5 MVAr, S ≈ 3,95 MVA, corrente ≈ 228 A a 10 kV. Il margine è però piccolo: in un progetto reale non ci si fermerebbe a un solo punto di funzionamento.

7.5 Capacità del banco trifase

Esempio: per Q_c = 0,5 MVAr, f = 50 Hz e V_LL = 10 kV si ottengono circa 15,9 μF per fase a stella oppure 5,3 μF per ramo a triangolo. Inserendo reattanze cambiano le tensioni interne e la potenza netta resa alla rete.

7.6 Il carico minimo è importante quanto quello massimo

Un banco dimensionato sulla richiesta massima può funzionare in sovracompensazione a carico ridotto. Per un sistema a gradini si verificano separatamente carico minimo, medio e massimo, variazioni rapide e possibili indisponibilità dei rami. La scelta delle taglie può essere uniforme o differenziata, ma deve evitare combinazioni inadatte all'esercizio.

8.1 Architettura di controllo

1. Misure: V, correnti RMS di fase, P, Q₁, FP totale, THD e stato dei rami disponibili.
2. Calcolo: valutazione della compensazione desiderata e del margine di corrente.
3. Selezione: numero di gradini compatibile con i limiti di reattiva, tensione e armoniche.
4. Azionamento: il controllore locale TSC/SVC gestisce sincronismi, carica residua e tiristori.
5. Feedback: confronto tra effetto previsto e corrente/P/Q realmente misurate.

8.2 Isteresi e tempi

Un gradino non deve commutare continuamente quando la richiesta oscilla vicino alla soglia. Si utilizzano due soglie (ON/OFF) e temporizzazioni. Per esempio, inserimento sopra 1,1 MVAr e disinserimento sotto 0,9 MVAr; valori puramente illustrativi.

8.3 Simulazione della scelta TSC a gradini

8.4 Feedback e feedforward

8.5 Stati e gestione dei limiti

8.6 Schema funzionale e responsabilità dei livelli

8.7 Logica di scelta del riferimento e gestione dei vincoli

1. Validare misure e sincronizzazione delle tensioni: se una misura non è affidabile, evitare nuove manovre automatiche.
2. Calcolare Q_c,ref a partire dall'obiettivo richiesto (Q residua, FP fondamentale o limite corrente), verificando P² + D² rispetto al limite apparente.
3. Applicare i limiti capacitivi e induttivi del compensatore, l'eventuale divieto di sovracompensazione e lo stato dei rami disponibili.
4. Selezionare la combinazione ammissibile di gradini che raggiunge il riferimento limitando manovre inutili.
5. Applicare isteresi, tempo minimo ON/OFF e le condizioni di reinserzione stabilite dal costruttore.
6. Confermare lo stato reale e verificare che Q residua, corrente RMS e tensione rientrino nei valori ammissibili.

8.8 Diagramma d'isteresi e commutazioni

Fra le due soglie si conserva lo stato del gradino: se è inserito non viene escluso finché la domanda non scende sotto OFF; se è escluso non viene inserito finché la domanda non supera ON. I tempi minimi aggiungono un'ulteriore condizione, non mostrata nel diagramma.

8.9 Perché è utile combinare feedback e feedforward

Il feedback reagisce alla Q e alla corrente misurate: è robusto agli errori di modello, ma interviene dopo che la variazione è avvenuta. Il feedforward può anticipare una variazione prevedibile usando segnali del carico, inclusi I_DC, V_DC o α, ma la sua stima deve essere corretta dalle misure reali.

Se la compensazione disponibile è insufficiente o il vincolo è legato alla sola potenza attiva, il controllore segnala limite non rispettabile con rifasamento; non continua a inserire condensatori oltre la reattiva necessaria.

Simboli

V_a, I_a

Tensione e corrente di armatura DC.

V_f, I_f

Tensione e corrente di eccitazione.

Φ

Flusso magnetico per polo (in convenzione coerente con le costanti di macchina).

α

Angolo di accensione dei tiristori.

Q₁

Potenza reattiva associata alla fondamentale.

FP / DPF

Fattore di potenza totale / fattore di spostamento.

THD_I

Distorsione armonica totale della corrente rispetto alla fondamentale.

Q_c

Compensazione capacitiva fornita al punto di connessione.

TSC / TCR

Thyristor Switched Capacitor / Thyristor Controlled Reactor.

SVC / STATCOM

Static Var Compensator / Static Synchronous Compensator.

Riferimenti per approfondire

Per impieghi progettuali consultare le edizioni applicabili delle norme su macchine rotanti, convertitori e compatibilità elettromagnetica (famiglie IEC 60034, IEC 60146, IEC 61000; IEEE 1459 e IEEE 519), insieme ai manuali del costruttore. I riferimenti normativi e le edizioni vanno sempre verificati rispetto al paese e alla data del progetto.

Ulteriori relazioni utili

Fonti tecniche per verifica e approfondimento: IEC 60034 (macchine rotanti), IEC 60146 (convertitori a semiconduttore), IEC 61000 (compatibilità elettromagnetica), IEEE 1459 (definizioni delle potenze) e IEEE 519 (controllo armonico al punto di connessione comune). Le edizioni applicabili devono essere verificate separatamente.