Differenza tra commutatore e raddrizzatore
Entrambi commutatore e il raddrizzatore forzano la corrente in una direzione preferita, ma risiedono in livelli diversi di un sistema. Il commutatore fa parte della macchina rotante stessa, sincronizzato con il suo angolo meccanico, mentre il raddrizzatore è uno stadio di conversione separato che si trova nel percorso di alimentazione e elabora qualsiasi corrente alternata gli venga fornita. A volte le loro funzioni si sovrappongono, ma quasi mai si sovrappongono nel modo in cui vengono progettati.
Indice
Un modello mentale rapido
Iniziamo con questo: ogni armatura di un generatore CC convenzionale produce una tensione alternata interna. Il commutatore è un interruttore rotante che ricollega continuamente le bobine alle spazzole in modo che, visto dai terminali, l'uscita appaia unidirezionale. In questo senso si comporta come un raddrizzatore meccanico, integrato nel rotore e sincronizzato dall'albero.
Un raddrizzatore, invece, è qualsiasi dispositivo o circuito che prende un ingresso CA e produce un'uscita CC, solitamente utilizzando elementi che preferiscono naturalmente una direzione di corrente: diodi, tiristori, ponti a transistor e così via.
Quindi entrambi “raddrizzano” la corrente. Uno lo fa muovendo segmenti di rame sotto spazzole fisse. L'altro lo fa con giunzioni statiche e impulsi di controllo.
Cosa sono effettivamente ciascuno di essi
Il commutatore è un cilindro segmentato montato sull'albero del rotore, con ciascun segmento collegato a una parte dell'avvolgimento dell'armatura. Le spazzole fisse premono su questo cilindro, prelevando o alimentando la corrente. Man mano che il rotore gira, i segmenti successivi incontrano le spazzole, che capovolgono la bobina collegata al terminale. Questa inversione periodica, bloccata nella posizione meccanica, mantiene la coppia in un motore a corrente continua approssimativamente unidirezionale e la corrente esterna in un generatore a corrente continua approssimativamente unidirezionale.
Il raddrizzatore non è affatto legato alla posizione dell'albero. È solo un circuito: può trattarsi di un singolo diodo per la semionda, di un ponte che utilizza quattro diodi per l'onda intera, oppure di un ponte a sei o dodici impulsi in una stazione HVDC. La sua commutazione è elettrica, non meccanica, determinata dalla forma d'onda CA e dalle caratteristiche del dispositivo o dagli impulsi di accensione.
Quindi un commutatore è letteralmente montato sul rotore. Un raddrizzatore è semplicemente posizionato dove lo richiedono il layout e la progettazione termica.
Confronto affiancato
Ecco il confronto di alto livello che la maggior parte delle spiegazioni superficiali tralascia.
| Aspetto | Commutatore | Raddrizzatore |
|---|---|---|
| Natura fisica | Interruttore elettromeccanico rotante: segmenti in rame sull'albero più spazzole in carbonio (o simili). | Circuito statico che utilizza diodi, tiristori, transistor o dispositivi unidirezionali simili. |
| Dove vive | Integrato nel rotore dei motori e generatori a corrente continua (e motori universali). | Stadio separato nel percorso di alimentazione: ponte a livello di scheda, modulo o vano convertitore. |
| Lavoro principale | Inverte periodicamente i collegamenti tra le bobine dell'armatura e il circuito esterno in modo che la corrente esterna rimanga unidirezionale e la direzione della coppia rimanga utile. Agisce come un raddrizzatore meccanico all'interno delle macchine a corrente continua. | Converte la corrente alternata ai suoi terminali di ingresso in corrente continua ai suoi terminali di uscita bloccando una polarità o deviandola, spesso alimentando un filtro o un bus CC. |
| Cosa “vede” | Campo elettromagnetico interno dell'armatura in una macchina, strettamente accoppiato alla posizione del rotore e al campo. | Tensione secondaria della linea o del trasformatore, spesso senza alcuna conoscenza del sistema meccanico. |
| Meccanismo di controllo | Il momento della commutazione è determinato dalla geometria: posizione delle spazzole, numero di segmenti e angolo dell'albero. Regolazione di precisione tramite spostamento delle spazzole, interpolatori, ecc. | Il controllo (se presente) è elettronico: impulsi di gate nei raddrizzatori a tiristori/IGBT, strategie di modulazione, controllori digitali. |
| Opzioni di modellazione della forma d'onda | Limitato. È possibile migliorare la commutazione, ma il modello di ripple di base segue il numero di poli/segmenti del commutatore. | Estremamente flessibile con moderni raddrizzatori attivi: in grado di modellare corrente, fattore di potenza, armoniche, flusso bidirezionale. |
| Perdite e stress | Caduta della spazzola, attrito, resistenza del segmento in rame, formazione di archi elettrici. L'usura termica e meccanica si verificano nello stesso punto. | Principalmente perdite di conduzione e commutazione nei semiconduttori, oltre a perdite magnetiche e di filtraggio; nessun contatto scorrevole. |
| Affidabilità e manutenzione | Usura delle spazzole e della superficie del commutatore; necessità di ispezione, pulizia e rifacimento della superficie nelle macchine di grandi dimensioni. Le scintille possono rappresentare un problema in atmosfere polverose o esplosive. | Spesso considerati esenti da manutenzione fino al guasto; la loro durata è determinata dai cicli di temperatura, dagli eventi di sovratensione e dall'invecchiamento dell'isolamento. |
| Scala di potenza | Pratico fino a potenze moderate; le macchine CC di grandi dimensioni sono rare perché la commutazione diventa difficile e rischiosa. | Scala che va dai caricabatterie per telefoni da milliwatt alle stazioni di conversione HVDC da gigawatt che utilizzano convertitori a commutazione di linea o a tensione. |
| Uso tipico moderno | Motori CC di piccole/medie dimensioni, motori universali in utensili ed elettrodomestici, alcuni azionamenti di trazione legacy. | Alimentatori CA-CC, collegamenti CC, trasmissione HVDC, azionamenti motore, caricabatterie, praticamente ovunque si veda “ingresso CA, uscita bus CC”. |
La tabella nasconde un punto silenzioso: uno di essi sta gradualmente scomparendo dai nuovi progetti. Non il raddrizzatore.
“Il commutatore non è semplicemente un raddrizzatore?”
All'interno di un generatore CC classico, sì, in senso strettamente funzionale. L'avvolgimento dell'armatura produce una tensione alternata interna; il commutatore inverte i collegamenti in modo che la tensione ai spazzole non si inverta, fornendo un'uscita unidirezionale. Si tratta di una rettifica mediante commutazione meccanica.
Ma questa definizione è troppo restrittiva rispetto all'uso quotidiano che ne fanno gli ingegneri.
Quando oggi si parla di “raddrizzatore”, solitamente si intende un blocco convertitore CA-CC autonomo, spesso realizzato con semiconduttori, eventualmente dotato di controllo e correzione del fattore di potenza. Non è vincolato dalla geometria del rotore. Può essere riprogettato o sostituito senza intervenire sull'albero della macchina. Può funzionare in modo bidirezionale in un azionamento rigenerativo.
Quando si parla di “commutatore”, solitamente ci si riferisce a una specifica struttura meccanica presente su un motore/generatore CC o universale che deve resistere all'usura, agli archi elettrici e al disallineamento, e che è strettamente legata alla progettazione del campo, alla disposizione degli avvolgimenti dell'armatura e alla ripple di coppia. Il fatto che svolga anche una funzione di raddrizzamento è quasi secondario rispetto al suo ruolo di mantenere la coppia e la direzione della corrente allineate con il campo.
Quindi, sì: ogni commutatore di una macchina a corrente continua implementa la rettifica. No: nel linguaggio moderno dell'elettronica di potenza, non è ciò che chiamiamo un “raddrizzatore”.
Prospettiva progettuale: dove ogni elemento ha ancora senso
Se state progettando qualcosa alimentato dalla rete elettrica o da un trasformatore ad alta frequenza, dovrete ricorrere a un raddrizzatore a semiconduttore. I moduli a ponte sono economici, compatti ed efficienti e possono essere utilizzati sia in piccoli alimentatori a muro che in grandi front-end in azionamenti industriali. A livelli di trasmissione, i convertitori a tiristori e VSC dominano qualsiasi collegamento CC serio, perché i contatti scorrevoli e gli archi del commutatore non hanno spazio a quelle tensioni e potenze.
Il commutatore sopravvive in una serie più ristretta di nicchie. Utensili manuali, aspirapolvere, alcuni motori di piccoli elettrodomestici: il classico motore universale offre ancora un buon rapporto potenza-peso a basso costo, e i commutatori prodotti in serie sono accettabili in questi casi. Negli avviatori automobilistici e in alcuni sistemi di trazione tradizionali, i commutatori rimangono perché la piattaforma è stata costruita attorno a essi. Tuttavia, ogni volta che i progettisti possono permettersi l'elettronica, le macchine CC senza spazzole con commutazione elettronica e raddrizzatori a semiconduttori di solito vincono in termini di efficienza, rumorosità e durata.
Esistono anche idee ibride nella ricerca, in cui i raddrizzatori meccanici che utilizzano strutture simili a commutatori sono combinati con generatori triboelettrici o altri generatori innovativi. Anche in questo caso, la linea di demarcazione tra “commutatore” e “raddrizzatore” riguarda più l'implementazione che l'aspetto della forma d'onda della corrente.
Controllo, commutazione e forme d'onda
La temporizzazione del commutatore è impostata in rame e carbonio. Modificando la posizione delle spazzole o aggiungendo interpolari è possibile regolare la sovrapposizione della commutazione, il comportamento delle scintille e l'oscillazione della coppia, ma si continua comunque a seguire il ciclo meccanico. La qualità della forma d'onda dipende dal numero di poli, dal numero di segmenti del commutatore e dalla corrente di carico. La risoluzione di un problema di commutazione comporta solitamente la molatura, la pulizia e, eventualmente, il riavvolgimento.
I raddrizzatori, specialmente quelli controllati, sono più malleabili. Un ponte a tiristori a sei impulsi in uno schema HVDC regola il proprio angolo di accensione per controllare la tensione CC e il flusso di potenza, mentre un front-end VSC può modellare la propria corrente in modo quasi arbitrario entro i limiti nominali del dispositivo. Le armoniche, il fattore di potenza e la risposta dinamica diventano questioni relative al firmware tanto quanto all'hardware.
Questa differenza è importante quando si esegue il debug di un sistema. I guasti meccanici alla commutazione tendono a manifestarsi sotto forma di archi elettrici, usura delle spazzole, scolorimento delle barre del commutatore, surriscaldamento locale. I problemi relativi ai raddrizzatori si manifestano spesso sotto forma di forme d'onda anomale, temperatura elevata dei dispositivi, interruzioni fastidiose o rumori acustici provenienti dai componenti magnetici. Stesso obiettivo, linguaggio di guasto diverso.
Come questo cambia il tuo schema mentale
Considerare il commutatore come “parte della macchina” e il raddrizzatore come “parte della catena di conversione” rende più chiare le decisioni di progettazione.
Se il tuo problema è “Ho una corrente alternata e mi serve un bus a corrente continua”, allora sei nel campo dei raddrizzatori. La scelta della topologia, le perdite di conduzione, i filtri, le interferenze elettromagnetiche e gli algoritmi di controllo sono il vero lavoro.
Se il tuo problema è “Ho un motore a corrente continua con spazzole o un motore universale e mi interessano la coppia, la durata o la manutenzione”, allora sei nel campo dei commutatori. La qualità delle spazzole, la pressione delle molle, la finitura superficiale, i poli di commutazione e la delicata interazione tra la distorsione del campo e la posizione delle spazzole iniziano ad avere importanza.
Entrambi gli oggetti impongono un comportamento unidirezionale nella corrente. Uno lo fa facendo ruotare il rame sotto la grafite. L'altro lo fa incorporando la fisica delle giunzioni PN e degli interruttori controllati da gate in un blocco statico. Trattarli come la stessa cosa nasconde gran parte di ciò che determina il successo o il fallimento dei progetti reali.
