L A VALVOLA A TIRISTORI

Il componente principale di un SVC è la valvola a tiristori: gli sviluppi fatti nel campo dell’elettronica di potenza hanno reso possibile l’impiego di dispositivi a semiconduttore per applicazioni in media tensione. Visti i livelli di tensione in gioco, si utilizzano più tiristori in serie per ciascuna fase: solitamente in applicazioni a 35 kV troviamo una catena di tiristori composta da 16-18 elementi. Per ciascuna fase abbiamo due catene disposte in antiparallelo per consentire la conduzione sia per la semionda positiva che negativa. Ogni tiristore è inoltre provvisto di snubber (dei semplici circuiti RC) che hanno la funzione di smorzare le sovratensioni dovute alla commutazione. Contrariamente ai transistor , che sono caratterizzati da una zona di funzionamento di tipo lineare, i tiristori sono dei dispositivi a semiconduttore il cui funzionamento prevede due soli stati: lo stato di on (corrispondente alla saturazione) e lo stato di off (corrispondente alla interdizione). Sono quindi, come funzionamento, paragonabili a dei contattori elettromeccanici con in più una particolare caratteristica: un tiristore può essere considerato come un “interruttore normalmente disinserito” che può essere portato in conduzione o “acceso” attraverso un impulso di corrente sul terminale di controllo detto “gate”. Una volta portati in conduzione, non disponendo della possibilità di interdire il dispositivo, esso continua a condurre la corrente anche in assenza di un segnale di gate fintantoché la corrente si annulla. Bisogna sottolineare che un tiristore è in grado di rimanere interdetto, in assenza di segnale di gate, con tensione applicata sia positiva che negativa.

L’introduzione dei primi tiristori (caratterizzati da correnti modeste dell’ordine di 100 A e tensioni di alcune centinaia di Volt) risale al lontano 1950. In seguito, l’estesa applicazione di questi nel settore industriale e nella distribuzione di potenza, alimentò l’interesse nello sviluppo di questa tecnologia, per rendere possibile l’applicazione degli stessi a correnti e tensioni sempre maggiori come possiamo vedere dalla figura 3.1(dove con NTD si intende un particolare processo produttivo che ha reso possibile la creazione di wafer di silicio di diametro maggiore, con una bassa concentrazione di drogaggio di tipo N e un elevata uniformità di resistività).

32 CAPITOLO 3 STATIC VAR COMPENSATOR

FIGURA 3.1 INCREMENTO DELLE PRESTAZIONI DEI TIRISTORI NEGLI ULTIMI ANNI

Oggi, sono disponibili dei tiristori con la capacità di tenere tensioni maggiori a 8000 V e di avere una portata di circa 5000 A: con tali caratteristiche un singolo tiristore è in grado di pilotare fino a 40 MW di potenza. Abbiamo una struttura formata da tre giunzioni p-n-p-n, che presenta le seguenti caratteristiche, la struttura del dispositivo e il relativo simbolo elettrico sono presentati di seguito:

FIGURA 3.2 STRUTTURA FISICA E SIMBOLOGIA ELETTRICA DI UN TIRISTORE

FIGURA 3.3 CARATTERISTICA REALE E CARATTERISTICA IDEALE DI UN TIRISTORE

Prendiamo un semplice circuito elettrico e descriviamo il funzionamento del tiristore. Come possiamo notare dalla figura 3.4, il controllo di innesco può essere esercitato in ogni istante della semionda positiva. Quando la corrente nel tiristore tenta di diventare negativa per l’inversione della tensione di alimentazione, se il tiristore fosse ideale, dovrebbe annullarsi in modo istantaneo. Tuttavia nella realtà ciò non accade e la corrente nel tiristore si inverte prima di annullarsi.

3.2 LA COMPENSAZIONE DELLA POTENZA REATTIVA TRAMITE SVC 33

FIGURA 3.4 COMPORTAMENTO DI UN TIRISTORE IN UN CIRCUITO ELEMENTARE

Quando la corrente cambia polarità abbiamo due tempi caratteristici: il trr noto come tempo

di ripristino (reverse-recovery time) e il t_q, tempo di spegnimento (turn-off time). Il primo

parametro indica quanto la corrente impiega a ritornare a zero dopo aver assunto un valore negativo. Il secondo parametro, ben più importante del precedente è il tempo di

spegnimento: infatti per tutto il tempo t_q deve essere applicata una tensione inversa e solo

dopo questo tempo il dispositivo può considerarsi spento , e quindi in grado di bloccare nuovamente la tensione diretta senza entrare in conduzione. Se una tensione diretta viene applicata prima che questo intervallo sia passato, il tiristore può entrare prematuramente in conduzione e danneggiarsi e/o danneggiare il circuito in cui è inserito.

In relazione alle applicazioni, sono disponibili diverse tipologie di tiristori. Nelle specifiche

fornite dai data-sheet, oltre a tensione e corrente nominali, tempo di spegnimento t_q, e la

caduta di tensione, un’altra caratteristica importante che deve essere considerata è la derivata della corrente (di/dt) all’accensione e la derivata della tensione (dv/dt) allo spegnimento. Solitamente, lavorando in media tensione, si preferisce mettere più tiristori in serie, in modo che ciascun tiristore viene sottoposto a minori sollecitazioni di tensione. Di grande importanza risulta essere infine il dimensionamento del sistema di smaltimento delle perdite dei circuiti di potenza, data l’entità delle correnti controllate: le soluzioni di raffreddamento adottate infatti condizionano sia le prestazioni sia l’architettura e l’aspetto costruttivo. I sistemi di raffreddamento sono principalmente a liquido e sono preferiti in genere a quelli ad aria da un lato per una maggior efficienza di dissipazione di calore, e dall’altro perché con un migliore sistema di raffreddamento si possono sfruttare maggiormente i singolo componenti. A grandi linee possiamo affermare che soluzioni a liquido sono previste per potenze generalmente elevate, mentre il raffreddamento ad aria viene utilizzato prevalentemente per potenze relativamente basse sull’ordine di qualche MVA. Il sistema a liquido viene inoltre preferito principalmente per i seguenti motivi:

- riduzione delle perdite del sistema da attribuirsi ad una minor potenza impegnata

per il sistema di raffreddamento e quindi un maggior rendimento di quest’ultimo in termini di rapporto tra potenza smaltita e potenza necessaria allo smaltimento;

- riduzione del rumore acustico;

- riduzione degli ingombri relativi alla parte di potenza, semplificazione delle opere di

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Per garantire un alto livello di affidabilità in genere questi sistemi prevedono l’impiego di componenti altamente selezionati e ridondanti qualora debbono rispondere ad esigenze particolari durante il funzionamento. Il parametro che viene maggiormente controllato durante il funzionamento del sistema di raffreddamento risulta essere la temperatura del liquido di raffreddamento: essa infatti non può superare certi valori per non penalizzare lo smaltimento, né trovarsi al di sotto di altri se si vuole evitare la formazione di condensa sulle tubazioni idrauliche e i conseguenti rischi di scariche superficiali.