Convertitori elettronici

Il sistema elettrico integrato di una nave con distribuzione a corrente continua richiede inevitabilmente il massiccio impiego di convertitori statici. Per questa ragione i convertitori rivestono una parte fondamentale nella ricerca MVDC.

I convertitori statici sono necessari per:

• raddrizzare la tensione alternata prodotta dai generatori;
• connettere i sistemi di accumulo alla rete in corrente continua;
• alimentare grosse utenze in media tensione quali ad esempio gli azionamenti di propulsione, le eliche di manovra  e i compressori per il condizionamento.

Banco prova con prototipo di macchina sincrona a due poli multifase riconfigurabile:
a) macchina accoppiata a un motore primo
b) morsettiera dove sono connesse tutte le bobine di statore per permettere la riconfigurazione degli avvolgimenti
c) vista interna che mostra i collegamenti fra le bobine di statore e la morsettiera.

La ricerca ha evidenziato la necessità di impiegare diverse tipologie di convertitori in funzione del loro impiego nella rete MVDC (generazione o distribuzione).

Per ottimizzare e semplificare il sistema di generazione, i convertitori appartenenti a tali sistemi dovrebbero essere dotati di dispositivi a semiconduttore non controllati (ponti raddrizzatori a diodi).  Non essendo in grado di interrompere le correnti di guasto, questi convertitori devono essere dotati di interruttori DC in uscita opportunamente dimensionati.

Simulazioni e prove sperimentali hanno infatti mostrato che, in caso di cortocircuito a valle dei raddrizzatori a diodi, ai morsetti di uscita si presentano correnti di guasto transitorie con andamento oscillatorio smorzato. Analogamente a quanto accade nei sistemi in corrente alternata, il primo picco di tali correnti può raggiungere ampiezze decine di volte superiori ai valori di regime.

Come negli impianti in corrente alternata, anche nella rete MVDC è necessario adattare la tensione ai diversi livelli di distribuzione. Per questo specifico scopo potrebbero essere utilizzati convertitori cc/cc detti “Solid state transformer (SST)”, capaci di assicurare al contempo l’adattamento della tensione e il necessario isolamento galvanico. Poichè inoltre questi convertitori impiegano dispositivi a semiconduttore controllati potrebbe essere possibile  limitare ed interrompere le correnti di guasto, riducendo il numero di interruttori per corrente continua nella rete di distribuzione. L’SST consentirebbe di ottenere l’isolamento galvanico con un trasformatore in media frequenza di dimensioni decisamente inferiori rispetto a quello normalmente impiegato nelle normali reti in corrente alternata. Inoltre l’impiego di convertitori con una struttura multi-fase consentirebbe di raggiungere una  maggiore  affidabilità del sistema.

Corrente di cortocircuito con macchina rotante a 3000 giri/min (f=50 Hz) e diversi valori della tensione continua (Vdc=100 V – curva gialla, Vdc=150 V – curva verde, Vdc=250 V – curva nera, Vdc=380 V – curva blu, Vdc=510 V – curva rossa):
a) risultati delle simulazioni
b) registrazioni sperimentali.

La tecnologia per la realizzazione degli SST può essere mutuata da un convertitore per trazione detto PETT (Power Electronic Traction Transformer), costituito da un sistema di conversione ca/cc composto da diversi moduli da 1.2MW collegati in serie, ognuno dei quali ingloba un trasformatore a media frequenza.