CONVERTITORE statico di corrente elettrica
CONVERTITORE statico di corrente elettrica (XI, p. 270)
Raddrizzatori a vapore di mercurio. - L'introduzione di elettrodi supplementari di controllo, nei raddrizzatori a vapore di mercurio, ne contraddistingue l'ultima fase di sviluppo, che ha avuto inizio una ventina di anni or sono. L'impiego delle griglie comandate entrò nel dominio della tecnica di questi convertitori dopo l'esperienza fatta con le griglie deionizzanti, introdotte alcuni anni prima dalla Società Brown Boveri di Baden.
Tali griglie, interposte fra catodo ed anodi, assumono il potenziale che loro compete in virtù della posizione lungo il tragitto dell'arco. Esse conseguono lo scopo di deionizzare rapidamente lo spazio che circonda gli anodi a ciascuna estinzione naturale dell'arco ed, al tempo stesso, attenuano la densità dei vapori di mercurio che si trovano entro le guaine anodiche, ossia tendono ad eliminare le cause principali delle accensioni di ritorno e quindi ad accrescere, a parità di altre condizioni, la capacità di carico e la tensione di servizio del convertitore.
Con l'applicazione di una griglia isolata, nell'intervallo catodo-anodo, è possibile sottoporre tale elettrodo ausiliario ad un potenziale non vincolato al potenziale che gli competerebbe in relazione alla sua posizione lungo il tragitto dell'arco. Applicando un potenziale positivo rispetto al catodo, l'adescamento naturale dell'arco non viene turbato ed anzi può essere favorito; applicando un potenziale negativo, l'adescamento naturale è impedito e ritardato fino all'istante in cui il potenziale non è diventato positivo (fig. 1).
I vantaggi che derivano dal controllo dell'arco a mercurio sono evidenti; comandando le griglie con adatti circuiti vi è la possibilità di conciliare il flusso unidirezionale della corrente nell'interno del convertitore con il flusso di energia in un senso o nel senso opposto fra le due reti allacciate fra loro attraverso il convertitore. Ne segue che quest'ultimo può essere impiegato non soltanto per convertire corrente alternata in continua, ma anche per la conversione inversa, e mediante schemi appropriati, per convertire corrente alternata in corrente alternata a numero di fasi ed a frequenze eguali o diverse. Pare quindi particolarmente appropriata la denominazione di mutatore proposta in sede internazionale per designare il convertitore a vapore di mercurio nella sua forma più generale.
Tale denominazione, se pure attende ancora la sanzione della Commissione Elettrotecnica Internazionale (CEI), ha già trovato largo impiego nella letteratura tecnica di tutto il mondo, e ad essa sarà fatto riferimento per esporre alcune fra le più moderne applicazioni del comando di griglia.
L'estinzione rapida del mutatore, in caso di corto circuito esterno od interno, è condizione essenziale per la buona conservazione dell'impianto di conversione. Essa è ottenuta imprimendo alle griglie un potenziale negativo rispetto al catodo all'istante in cui la perturbazione si manifesta: gli anodi inattivi non possono adescarsi e quelli attivi non possono riadescarsi dopo l'estinzione naturale dell'arco. L'estinzione del mutatore avviene in meno di un periodo.
Per regolare la tensione continua, senza agire sopra la tensione alternata che alimenta il mutatore, si ritarda l'adescamento degli anodi a mezzo di dispositivi meccanici o statici i quali sono, in generale, combinati col dispositivo di protezione contro le sovracorrenti (fig. 2). La regolazione può essere ottenuta con mezzi estremamente semplici e può essere adeguata alle più variate condizioni di servizio (regolazione a mano, automatica od a distanza).
La risoluzione di questi due problemi ha eliminato gli ostacoli che si frapponevano alla diffusione dei mutatori in alcuni campi di applicazione. Negli impianti elettrochimici trovano impiego i gruppi ad alta intensità di corrente per elettrolisi (produzione di cloro e soda caustica, zinco, idrogeno, alluminio, magnesio). I gruppi sono costituiti da mutatori polianodici oppure monoanodici: i primi con numero di anodi variabile da 6 a 24, per correnti che tendono a non superare oggi 6000 A per cilindro (correnti maggiori sono ammissibili ma non convenienti per motivi di rendimento).
Trattandosi di grandi impianti, che esigono talvolta correnti di qualche centinaio di migliaia di ampere, a tensioni continue che arrivano fino a 1000 V, i trasformatori di alimentazione dei singoli gruppi (in collegamento esafase o dodecafase) vengono connessi alla rete primaria con speciali accorgimenti onde far sì che, agli effetti della reazione a monte, l'impianto di conversione si comporti come un complesso a numero di fasi elevato, da 12 fino a 60; ciò per ovviare a eventuali pericoli derivanti da armoniche accentuate nella rete di alimentazione.
Mutatori a controllo di griglia, per la protezione e la regolazione, trovano impiego negli impianti radiotrasmittenti, per l'alimentazione degli amplificatori finali di potenza ad alta tensione continua. Si tratta di complessi che devono soddisfare a condizioni gravose, in relazione alle tensioni in gioco ed alla delicatezza degli organi alimentati e dei servizî disimpegnati.
Grazie alla risoluzione del problema della conversione statica di corrente continua in alternata, il mutatore ha potuto essere impiegato in quelle applicazioni che prima richiedevano l'impiego di gruppi convertitori rotanti. Si sono così realizzati gruppi mutatori reversibili nella trazione elettrica e nei comandi di laminatoi e si sono potuti sperimentare con successo alcuni impianti di trasporto di energia a corrente continua ad alta tensione in diversi paesi (Svizzera, Svezia, Germania e Stati Uniti). Coi mutatori ad alta tensione visibili nella fig. 4 è stato possibile scambiare una potenza dell'ordine di 13.000 kw a 33 kV per unità in un impianto sperimentale nella centrale della Biaschina in Svizzera (Brown Boveri).
La reversibilità del mutatore ha consentito il collegamento diretto di reti a corrente alternata indipendenti, senza l'intermediario di un circuito a corrente continua. Impianti per la conversione statica di corrente trifase a 50 Hz in monofase a 16 2/3 Hz sono entrati da anni in servizio, come pure reti trifasi indipendenti a 50 Hz sono state direttamente collegate, in modo elastico, attraverso mutatori con griglie comandate. Notevole è l'impianto illustrato dallo schema della fig. 3, il quale realizza la conversione della corrente trifase a 50 Hz in monofase a 1000 Hz, per l'alimentazione di un forno ad alta frequenza per il trattamento di leghe, che assorbe una potenza di 300 kW.
Parallelamente alle ricerche rivolte ad estendere il campo di applicazione dei mutatori, le case costruttrici hanno dedicato una notevole attività per il perfezionamento e la semplificazione dei convertitori e degli impianti.
Grazie ad accorgimenti costruttivi, si è migliorata notevolmente col tempo la sicurezza di esercizio dei gruppi, si è accresciuto il rendimento dei mutatori, si è aumentata l'efficienza degli organi di protezione, si è perfezionata la costruzione dei trasformatori di alimentazione. Gli studî rivolti alla semplificazione dei mutatori hanno condotto alla soppressione del raffreddamento ad acqua anche per mutatori che erogano correnti dell'ordine di 3000 A e per potenze di qualche migliaio di kW.
Il mutatore della fig. 5 è raffreddato mediante ventilatore centrifugo, ha la pompa statica pure raffreddata ad aria soffiata; esso trova impiego per potenze fino a 2500 kW nelle sottostazioni di trazione a 3600 V. L'abolizione dell'acqua di raffreddamento costituisce una semplificazione evidente, che si traduce in un'economia di impianto ed in un risparmio cospicuo di spazio.
Un'ultima semplificazione è stata ottenuta, per le unità minori, abolendo il gruppo di pompe per la formazione ed il mantenimento del vuoto. Il mutatore è a tenuta rigorosamente stagna ed è in grado di mantenere a lungo il grado di vuoto necessario per un funzionamento impeccabile. Le piccole unità hanno una semplicità di servizio ragguardevole, e tendono sempre più a ridurre i limiti di applicazione dei mutatori ad ampolla di vetro (fig. 6).
Una evoluzione piuttosto recente nella tecnica dei mutatori, nata soprattutto dal desiderio di unificare al massimo gli elementi costituenti un impianto di conversione statica e di migliorarne il rendimento, ha condotto all'impiego dei mutatori monoanodici (fig. 7). Si tratta di elementi ad involucro metallico che vengono collegati a gruppi di sei o di dodici per la costituzione di complessi paragonabili, agli effetti del funzionamento esterno, a mutatori a sei o a dodici anodi. I tipi realizzati dalle varie case costruttrici sono assai diversi e si distinguono per il sistema di eccitazione adottato (intermittente o continuo), per il modo di controllo dell'arco (ad impulso o con griglie), per il sistema di raffreddamento, per l'impiego o meno di pompe per il vuoto. L'esperienza non ha ancora detto entro quali limiti i mutatori monoanodici potranno concorrere con quelli a più anodi, perché mancano ancora gli elementi per giudicare in quali condizioni i pregi potranno avere il sopravvento sui difetti e sugli inconvenienti ovvî di impianto e di servizio.
Bibl.: Oltre ai lavori disseminati in tutti i periodici di elettrotecnica si ricordano alcuni numeri speciali dedicati espressamente alla tecnica dei mutatori: Revue Brown Boveri, maggio-giugno 1938, ottobre 1941, settembre 1945; Siemens Zeitschrift, ottobre 1933; AEG Mitteilungen, febbraio 1939. L'argomento è stato studiato a fondo anche nei congressi e nelle riunioni di studio di elettrotecnici: Rendiconti dell'AEI, 1932, 1939; VDE Fachberichte; Comptes rendus de la CIGRE, (notevole, in particolare, il vol. I del 1946). Trattazioni estese e generali trovansi in: O. K. Marti, H. Winograd, O. Gramisch, Stromrichter, Berlino 1933; W. Schilling, Die Gleichrichterschaltungen, Berlino 1938; G. V. Müller-Uhlenhoff, Elektrische Stromrichter, Brunswick 1940.