INVERTER MONOFASE E TRIFASE

Con inverter si sottintende un convertitore DC-AC. La sua funzione è quella di trasformare una tensione continua in una tensione alternata d'ampiezza e frequenza desiderata. Una tensione d'uscita d'ampiezza variabile può essere ottenuta variando la tensione DC d'ingresso. Se la tensione DC è fissata e non controllabile il voltaggio variabile può essere ottenuto variando il guadagno dell'inverter mediante una modulazione PWM (Pulse Width Modulation) per controllare il convertitore.

La tensione in uscita dall'inverter ideale deve essere sinusoidale, tuttavia in quelli di utilizzo pratico le forme d'onda non sono sinusoidali e contengono armoniche. La presenza di tali armoniche può essere un problema in alcune applicazioni per le quali sono necessari dispositivi di filtraggio.

Gli inverter possono essere classificati in due tipi: monofase e trifase. Ogni tipo può essere suddiviso in quattro categorie, in funzione dei tiristori utilizzati:

• inverter PWM

• inverter risonanti

• inverter a commutazione ausiliaria

• inverter a commutazione complementare.

 

Principio di funzionamento

Il principio di funzionamento degli inverter monofase può essere illustrato mediante il circuito di figura 1 dove è rappresentato un inverter a mezzo ponte.

Figura 1: Inverter a mezzo ponte

I due transistor BJT Q₁ e Q₂ fungono da interruttori controllati rispettivamente dalle tensioni V₁ e V₂. I diodi D₁ e D₂ sono utilizzati come diodi di ricircolo ed il loro utilizzo risulterà chiaro nel seguito della trattazione.

Supponendo di avere un carico puramente resistivo (V_o=RI_o) quando si accende Q₁ la tensione d'uscita V_o è pari a V_s. Passati T_o/2s si spegne Q₁ e si accende Q₂ ottenendo V_o=-V_s. La circuiteria logica di comando dell'inverter dovrà quindi far sì che i due transistor non siano accesi contemporaneamente per evitare il cortocircuito degli alimentatori.

L'andamento della tensione d'uscita sarà quello riportato in figura 2.

Figura 2: Andamento della tensione d'uscita dell'inverter con carico resistivo

La tensione V_o è di tipo alternativo con frequenza f₀=T₀^-1 regolabile variando la frequenza di accensione e spegnimento di Q₁e Q₂: questo parametro risulta importante nella scelta di un dispositivo piuttosto che un altro (nel caso in cui si vogliano f₀ elevate si possono usare MOSFET anziché BJT perdendo un po' di potenza).

La tensione V₀ non risulta di tipo sinusoidale e questo può creare dei problemi in alcune applicazioni. La tensione d'uscita può però essere espressa mediante il suo sviluppo in serie di Fourier ottenendo

.

L'unica componente che interessa è la cosiddetta armonica fondamentale che si ottiene ponendo n=1 e la cui ampiezza risulta

.

Per avere una tensione puramente sinusoidale serve quindi un dispositivo che filtri le armoniche superiori e lasci inalterata la fondamentale.

Nel caso in cui il carico sia fortemente induttivo (come nei casi pratici dove l'inverter pilota un motore od un compressore), la corrente non può commutare immediatamente insieme alla tensione d'uscita. Quando Q₁ viene spento a t=T₀/2s la corrente I₀ continuerà a fluire attraverso a D₂, il carico e la metà superiore dell'alimentatore finché non diverrà zero. Similmente quando viene spento Q₂ a t=T₀, la corrente di carico passa attraverso D₁, il carico e la metà superiore della sorgente di tensione continua. I diodi servono quindi ad evitare che passi una corrente elevata nei transistor in spegnimento, cosa che pregiudicherebbe l'integrità degli stessi. In figura 3 viene riportato l'andamento della corrente I₀ e gli intervalli di accensione dei dispositivi.

Figura 3: Corrente d'uscita con carico fortemente induttivo

Inverter a ponte intero

Nell'inverter a mezzo ponte circa il 26% della tensione fornita viene persa, per cui si devono studiare soluzioni che utilizzino in modo più efficiente la potenza fornita dal generatore. Una di queste è l'inverter a ponte intero il cui schema circuitale è rappresentato in figura 4.

Figura 4: Inverter a ponte intero

Il comportamento è del tutto simile a quello del mezzo ponte: se si accendono contemporaneamente i transistor Q₁ e Q₂ la tensione 2V_s appare sul carico, se si accendono Q₃ e Q₄ (spegnendo Q₁ e Q₂) ai capi del carico la tensione si inverte avendo V_o=-2V_s. L'andamento di V_o con carico puramente resistivo è riportata in figura 5.

 

Figura 5: Andamento della tensione d'uscita dell'inverter con carico resistivo

Come fatto per l'inverter a mezzo ponte la tensione d'uscita può essere sviluppata in serie di Fourier ottenendo

e la componente fondamentale ha ampiezza

che è il doppio del caso del mezzo ponte. La potenza utile fornita dall'inverter a ponte intero risulta quindi

.

Ossia solo l'81% della potenza fornita viene trasferita in modo utile sul carico, il restante 19% viene dissipato nelle armoniche superiori non utilizzabili proficuamente dal carico.

 

Controllo della tensione d'uscita

Spesso è necessario controllare l'ampiezza V₁ della tensione d'uscita (per contrastare fluttuazioni della tensione d'ingresso, per la regolazione della tensione d'uscita dell'inverter, …), per fare ciò si varia il guadagno dell'inverter agendo sulla durata di accensione dei transistor. In sostanza si lasciano accesi i transistor per una durata
; in questo modo la tensione d'uscita assume il seguente andamento:

Figura 6: Andamento della tensione d'uscita con modulazione PWM a singolo impulso

e V_o può essere scritta nella forma

.

Variando t si può quindi variare il valore di V₁, anche se questa soluzione fa aumentare l'incidenza delle armoniche superiori. Sono quindi utilizzati particolari segnali di controllo (indicati come segnali PWM) che garantiscono una migliore regolazione di tensione e una maggior efficienza nell'utilizzo della potenza a disposizione.

L'utilizzo degli inverter, grazie anche ai notevoli progressi fatti dall'elettronica, risulta sempre più diffuso: come convertitore nei motori dei filobus e dei treni, nei trasmettitori sonar, nel riscaldamento ad induzione, nei generatori di ultrasuoni, negli elettrodomestici,… Ogni applicazione richiede particolari specifiche (elevata potenza in uscita, elevate frequenze di lavoro, regolabilità della tensione d'uscita …) e quindi esistono diversi tipi di inverter oguno creato ad hoc per soddisfare le richieste.

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