Inverter

       

L'inverter è un apparato elettrico che converte la corrente continua in corrente alternata; essi sono anche chiamati convertitori DC/AC.
I principali settori d’impiego degli inverter sono:

• Le alimentazioni di emergenza, ovvero, i gruppi di continuità statici UPS (Uninterruptible Power Supply) per alimentare utenze adatte alla rete di distribuzione (230V 50Hz) in situazioni di assenza della medesima, convertendo in corrente alternata la corrente continua fornita dagli accumulatori. Sono presenti in ospedali, supermercati e altre strutture dove è indispensabile la presenza di energia elettrica.
Qui sotto uno schema di principio di un gruppo di continuità.

• Gli elevatori di tensione continua: per alzare il valore di una tensione continua, si trasforma la continua in alternata, applicandola al primario di un trasformatore con rapporto di spire N>1, per poi raddrizzare la tensione di uscita ottenendo una tensione in uscita maggiore di quella di ingresso.

• Gli impianti fotovoltaici ed eolici dove è necessaria la conversione in alternata della corrente continua prodotta da questi generatori.

• Nel settore dell’automotive per la regolazione della velocità, della coppia e del senso di rotazione dei motori in corrente alternata, usata ad esempio per le automobili elettriche.

• Nei gruppi di refrigerazione e di condizionamento.

Come funziona un inverter? Cioè come è possibile, disponendo di un generatore di tensione continua ottenere una tensione in forma alternata?

In prima istanza dobbiamo ottenere un'onda quadra e conosciamo già diversi dispositivi astabili in grado di farlo (timer 555, trigger di Schmitt etc..). Ricordando poi il teorema di Fourier sappiamo che qualunque forma d'onda periodica, può essere considerata come il risultato della sovrapposizione di più segnali sinusoidali (combinazione lineare) di opportune ampiezze e frequenze.
Sopprimendo le armoniche secondarie e lasciando solo l'armonica fondamentale dell'onda quadra generata, otterremo una forma d'onda sinusoidale che ha la stessa frequenza (e quindi lo stesso periodo) dell'onda quadra originaria. Quest'ultimo passaggio può essere eseguito da un semplice filtro passa-basso, dato che l'armonica fondamentale è caratterizzata dalla frequenza più bassa.

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Ci sono tre tipologie principali di onda che possono essere utilizzate da un inverter:

• Inverter a onda quadra, che può essere impiegata solo su carichi puramente resistivi come lampade o stufe elettriche.

• Inverter a onda quadra modificata, che può essere impiegata su carichi di tipo resistivo capacitivo, con forti limitazioni perchè molte apparecchiature domestiche possono dare dei problemi: le radio potrebbero essere affette da fruscio, le ventole di raffreddamento e i compressori dei frigoriferi potrebbero risultare più rumorose, televisori, computer e stampanti potrebbero non funzionare correttamente.

• Inverter a onda sinusoidale pura; viene prodotta dagli inverter degli impianti fotovoltaici e può alimentare tutti i carichi domestici in modo efficiente perchè è assimilabile con notevole accuratezza alla tensione sinusoidale di rete.
L'onda sinusoidale pura è, inoltre, indispensabile ogni qual volta si debba azionare un motore elettrico, come ad esempio quello della lavatrice.

Un semplice inverter ad onda quadra può essere costruito con un semplice integrato NE555 come si vede nel disegno sottostante:

dove in uscita dall'integrato, oltre ad un trasformatore di stepup si nota uno stadio amplificatore di potenza push-pull a simmetria complementare costituito da due transistor di potenza NPN e PNP. L'amplificazione di potenza si rende necessaria per garantire in uscita oltre ai 230V di tensione nominali un adeguato valore di corrente. Ricordiamo che un'utenza domestica assorbe al massimo 3kW=3000W la massima corrente assorbita sarebbe :

quindi devono essere forniti circa 5A per ogni kW di consumo e lo stadio di potenza in uscita ha proprio il compito di innalzare il valore di corrente erogato.

Nonostante l'apparente semplicità del circuito proposto, quella appena esposta non è considerata la soluzione più efficiente. Nella pratica si utilizza una tecnica a commutazione su interruttori statici.

Inverter monofase a presa centrale

       

L'inverter a presa centrale è un primo dispositivo funzionante a commutazione che può essere usato come convertitore CC-CA.
La configurazione si ottiene sdoppiando l'ingresso dell'inverter con un punto centrale accessibile, in modo da alimentarlo con due tensioni uguali.
Per comprendere il principio di funzionamento basta notare che nel circuito sono presenti in ingresso due generatori ideali di tensione aventi la stessa tensione V_i, due interruttori statici S₁ e S₂ e un carico ohmico di resistenza R tra i nodi A e B, di cui il secondo costituisce la presa centrale dell'alimentazione.

Definito il periodo T e, quindi, la frequenza f = 1/T, della tensione alternata che si desidera avere sul carico R, si suddivide T in due intervalli di uguale durata T/2.
Se nel primo semiperiodo da 0 a t₁ si chiude S₁ e si lascia aperto S₂, sul carico verrà applicata la tensione positiva
V_o = V_AB = V_i.
Analogamente, se nel secondo semiperiodo da t₁ a t₂ si apre S₁ e si chiude S₂, sul carico verrà applicata la tensione negativa
V_o = V_AB = –V_i. Anche la corrente nel carico, data da i = V_o /R avrà la stessa forma d'onda.

Ripetendo per ogni intervallo di tempo T questo ciclo di comando degli interruttori, si otterrà sul carico una tensione periodica alternata di forma d'onda rettangolare e valore medio nullo. Essa può essere vista come la composizione di una sinusoide fondamentale di frequenza f = 1/T e di infinite sinusoidi con ampiezza decrescente e frequenza crescente.
Con lo sviluppo in serie di Fourier si può constatare che vi sono solo armoniche dispari e che la prima armonica ha valore massimo pari a:

Inserendo sull'uscita del convertitore un filtro opportuno (per esempio un filtro passa basso LC, si ottiene una tensione V_o con forma d'onda pressoché sinusoidale.

Si dimostra infatti che un filtro di questo tipo ha funzione di trasferimento

che antitrasformata nel dominio del tempo fornisce in uscita una funzione sinusoidale del tipo V_o=sin(ωt).

In questa tecnica risulta particolarmente importante la scelta degli interruttori comandati che commutano alternativamente tra due livelli di tensione costante, tale commutazione è detta commutazione forzata o hard-switch e avviene nell'istante in cui la corrente circolante è al valore massimo, ciò comporta dei problemi che devono essere attenzionati nel momento in cui le correnti in gioco siano particolarmente alte.
I dispositivi che in genere vengono utilizzati possono essere i BJT di potenza, i MOSFET di potenza e gli IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor).
Nel recente periodo c'è la prevalenza ad utilizzare MOSFET di potenza il cui simbolo è rappresentato qui sotto.

Hanno la caratteristica principale di essere comandati in tensione e di necessitare (al contrario dei BJT) di correnti di comando trascurabili, ciò implica una minor dissipazione di potenza e quindi un minor riscaldamento.

Gli IGBT introdotti sul mercato a partire dalla metà degli anni 80 hanno il simbolo grafico è qui sotto riportato.

Essi hanno ulteriori vantaggi rispetto ad i MOSFET : elevata impedenza di ingresso, elevata velocità di commutazione e sono impiegati in un ampio campo di potenze, tra i pochi kW e qualche MW. L'IGBT è posto in conduzione da una tensione positiva sul gate ed in interdizione da una tensione leggermente negativa sempre sul gate.

Inverter monofase a ponte

       

Lo schema seguente mostra la struttura di un inverter a ponte monofase denominato anche H-bridge (ponte ad H) ed è il tipo più diffuso per la costruzione degli inverter.

che ridisegnato con interruttori a MOSFET risulterebbe come segue.

Si nota immediatamente che non è più necessario avere una sorgente in continua col punto centrale disponibile, per contro raddoppia il numero dei componenti elettronici impiegati.

Il funzionamento avviene comandando alternativamente, per ogni periodo, le coppie di interruttori S₁-S₄ ed S₂-S₃, ognuna delle quali resta in conduzione per il tempo T/2. Le configurazioni dei due circuiti che si ottengono sono riportate di seguito.

Le forme d'onda della tensione e della corrente di uscita sul carico sono le seguenti:

Nel disegno viene specificato che quando il valore di corrente è negativo, il suo passaggio avviene attraverso i diodi associati ai rispettivi interruttori.

Le forme d'onda che si ottengono sono analoghe a quelle viste per l'inverter a presa centrale, ma con ampiezza della tensione doppia.

Inverter PWM

       

Quelli trattati finora sono semplici circuiti per inverter ad onda quadra; nella pratica diventa importante la possibilità di generare onde sinusoidali assimilabili alla tensione di rete (230V, 50Hz), per questo motivo è stata introdotta la tecnica PWM (Pulse Width Modulation = modulazione a larghezza di impulso) che permette di soddisfare questa esigenza.
Qui sotto lo schema di principio del modulatore PWM.

Si notano:

• Un oscillatore fornisce il segnale modulante, costituito da una tensione sinusoidale di ampiezza V_m e frequenza f_m pari alla frequenza dell'armonica fondamentale della tensione che si vuole ottenere in uscita.

• Un oscillatore fornisce il segnale portante, costituito da una tensione alternata con forma d'onda triangolare, ampiezza V_p e frequenza f_p maggiore dell'onda modulante; dal suo valore dipende la frequenza di commutazione dell'inverter.

• In ingresso all'inverter viene posta la tensione costante V_i.

• Un modulatore PWM che deve confrontare, istante per istante, i valori del segnale modulante e di quello portante e inviare i comandi di commutazione all'inverter.

Come modulatore PWM possiamo anche utilizzare il circuito a ponte (H-bridge) visto prima, applicando due comparatori per il comando dei quattro interruttori statici.

Dobbiamo notare la presenza di una porta NOT in ingresso agli interruttori S₂ ed S₄. Questo permette di inibire S₂ quando è attivato S₂ e inibisce S₄ quando viene attivato S₃. Importante è notare come al primo comparatore (di sinistra) venga applicata V_m mentre al secondo comparatore (di destra) viene applicata -V_m. Gli interruttori S₁ ed S₂ determinano il livello di tensione al punto A e gli altri due interruttori determinano il livello di tensione al punto B.
Con la tecnica appena esposta, per il nodo A viene ottenuto il seguente segnale:

Sul nodo B, tenendo conto che al secondo comparatore viene fornita una V_m invertita di fase, avremo il seguente segnale:

Ai capi del carico R si viene a realizzare (inevitabilmente) la differenza di potenziale V_o=V_A–V_B dunque la differenza dei due segnali risultanti.

Si ottiene in questo modo una tensione di uscita composta da impulsi positivi e negativi, di ampiezza costante e larghezza variabile, scomponibile in una componente fondamentale con andamento sinusoidale, di frequenza pari a quello del segnale modulante, e una serie di componenti armoniche di disturbo. Le armoniche generate con questa tecnica di pilotaggio, nell'ipotesi che l'ampiezza della modulante non superi quella della portante, hanno frequenze pari a quella della portante o superiori, mentre la fondamentale ha la stessa frequenza della modulante.
Dal momento che f_p è, in genere, almeno dieci volte maggiore di f_m, vi sarà una notevole differenza tra la frequenza della prima e quelle delle altre armoniche della tensione d'uscita.
Questo rende molto più agevole l'eliminazione del residuo armonico sulla forma d'onda della tensione. La regolazione del valore efficace della tensione d'uscita si ottiene variando il valore massimo del segnale modulante, mentre la regolazione della frequenza viene effettuata variando la frequenza di tale segnale.

La forma d'onda così ottenuta dovrà poi essere ulteriormente elaborata dal filtro LC che sarà posto a monte del carico, secondo questo schema, tenendo conto che il trasformatore di isolamento T è presente solo in alcuni modelli; in altri casi si preferisce non utilizzarlo per migliorare il rendimento dell'inverter.

Come si nota dai grafici, l'effetto elettrico all'uscita, a valle del filtro LC è assimilabile a un'onda sinusoidale che può aumentare la sua accuratezza all'aumentare della frequenza dell'onda portante.