Il termine “inverter” descrive, in elettronica,
due differenti circuiti solitamente ben definiti a seconda del contesto: la
prima accezione, impiegata in elettronica industriale, indica un sistema in
grado di convertire una tensione continua (genericamente abbreviata
dall’acronimo inglese DC) in tensione alternata sinusoidale (AC); si parla in
questo caso di conversione DC/AC.
Con il secondo significato di inverter, ci si
riferisce, in elettronica digitale, al circuito che implementa a livello
elettrico la funzione logica booleana NOT (negazione).
La domanda fa chiaramente riferimento alla prima
delle due accezioni ma questa breve puntualizzazione è necessaria per evitare
confusioni. La trattazione di base che segue è valida in generale per inverter destinati a qualunque applicazione: dagli elettrodomestici (condizionatori ad esempio), agli alimentatori UPS per computer, ai controlli industriali.
Lo schema di principio di un convertitore DC/AC
inverter monofase, in grado cioè di erogare una sola tensione alternata, è
mostrato in figura 1: la tensione continua (DC) alimenta un “ponte” costituito
da quattro interruttori (A1, A2, B1, B2), mentre la tensione alternata di
uscita si sviluppa tra i nodi centrali (VOUT = VX – VY
= VXY).
Schema di ponte monofase adottato negli inverter.
Supponiamo che all’istante iniziale di riferimento
t = 0, un circuito di controllo chiuda gli interruttori A1-A2 e apra B1-B2: in
questa condizione il nodo X è collegato all’alimentazione VDC tramite
A1 mentre A2 connette il nodo Y al riferimento di massa (potenziale 0 V). La
tensione di uscita raccolta è allora:
VOUT = VXY = VDC
– 0 = VDC
All’istante t = T/2 il circuito di comando degli
interruttori apre A1 ed A2 e, contemporaneamente, chiude B1 e B2. La situazione
è allora invertita nel senso che il potenziale VDC è ora applicato
al nodo Y mentre il nodo X si trova connesso a massa. Pertanto la tensione di
uscita dopo l’istante t = T/2 è:
VOUT = VXY = 0 – VDC=
– VDC
Configurazione del ponte nella primo semiperiodo (sinistra) e nel secondo
semiperiodo (destra).
Il funzionamento è periodico, cioè all’istante t
=T il circuito di comando ripristina la prima configurazione di interruttori com’era
dopo l’istante t = 0 ed un ciclo di commutazione è concluso (figura 2). La
commutazione ciclica degli interruttori genera una tensione di uscita come in
figura 3, di periodo T o, equivalentemente, frequenza F = 1/T.
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Figura 3 –
Onda quadra in uscita dal ponte
Sebbene l’uscita sia ora alternata (infatti assume
valori uguali e contrari in istanti sfasati di mezzo periodo, T/2), non ha
ancora il profilo sinusoidale desiderato.
A questo proposito ricordiamo che ogni segnale
periodico di frequenza F = 1/T può essere visto come somma di un segnale
continuo e di infiniti segnali sinusoidali a frequenza multipla di F
(scomposizione di serie di Fourier). Il segnale continuo corrisponde al valor
medio dell’onda periodica considerata mentre le ampiezze dei contributi
sinusoidali a frequenze multiple (chiamate “armoniche”) dipendono dalla forma
dell’onda periodica scomposta.
Nel caso dell’inverter, la tensione di uscita è
periodica (onda quadra) con valor medio nullo: se riuscissimo ad isolare una
sola delle armoniche dell’onda quadra otterremmo l’uscita sinuosoidale
desiderata.
L’operazione è compiuta da un semplice circuito
chiamato “filtro elettronico”, generalmente composto da soli resistori,
induttori e condensatori, che permette il “passaggio” della sola componente a
frequenza minore, “smorzando” fortemente tutte le altre armoniche superiori.
Un esempio semplice di filtro è mostrato in figura
4: scegliendo opportunamente la coppia resistore-condensatore (R-C) è possibile
“tarare” il filtro, cioè scegliere quali frequenze di segnale possono attraversare
la rete e quali vengono attenuate.
Esempio di filtro passivo RC per la soppressione della armoniche a frequenza elevata..
L’uscita del filtro in risposta ad un ingresso ad
onda quadra è un’onda sinusoidale: è come se le brusche variazioni dell’onda
quadra venissero “rallentate” dal filtro fino a generare un’onda sinusoidale
con variazioni più dolci , figura 5.
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Figura 5 –
Onda sinusoidale generata dal filtro posto in uscita del ponte dell’inverter.
E’ fondamentale osservare che la frequenza
dell’onda sinusoidale in uscita è uguale alla frequenza dell’onda quadra: a sua
volta essa dipende solo dalla velocità con cui vengono commutati gli
interruttori, cioè dal periodo T imposto dal circuito di controllo:
semplicemente variando la durata del ciclo è possibile generare onde
sinusoidali con frequenza desiderata.
interruttori elettronici utilizzati negli inverter sono scelti in base alla
potenza ed alla velocità del sistema: in generale tanto maggiore è la potenza
da erogare al carico, tanto minore sarà la velocità di commutazione che
l’interruttore può raggiungere, cioè tanto più limitato il campo di variazione
della frequenza in uscita. Questo effetto di “inerzia elettrica” è quantificato
dai dati raccolti in tabella:
La conversione DC/AC è l’operazione inversa della
conversione AC/DC operata da tutti i comunissimi alimentatori di ogni
apparecchiatura elettronica (TV, personal-computer, telefono cellulare). Come
informazione si tenga presente che la conversione DC/AC presenta, in generale,
molti più problemi e difficoltà di una conversione AC/DC da alimentatore anche
se i moderni alimentatori hanno circuiti piuttosto complessi per minimizzare
gli sprechi energetici.
Le applicazioni degli inverter sono molteplici:
storicamente si sono sviluppati come metodo di controllo della velocità dei motori
elettrici asincroni (diffusissimi in ogni applicazione industriale): variando
la frequenza dell’onda che alimenta il motore si varia con continuità la sua
velocità. Lo schema a blocchi, che può fare uso di un inverter trifase (in grado,
cioè, di erogare tre tensioni sinusoidali opportunamente sfasate tra loro), è
il seguente, figura 6:
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Figura 6 –
Applicazione degli inverter per il controllo di velocità dei motori asincroni:
la frequenza della tensione che alimenta il motore è indipendente dalla
frequenza di rete ed è regolabile.
Altra notevole applicazione degli inverter si
trova all’interno dei sistemi di fornitura di energia in caso di black-out
della rete elettrica noti con il nome comune di “gruppi di continuità”. Sono
molto diffusi in impianti industriali, ospedali, centrali telefoniche ma anche
negli uffici per l’alimentazione dei personal-computer (in questo caso i
“gruppi” si chiamano UPS). Gli UPS (Uninterrupted Power System) possono
sopperire al black-out generalmente per un periodo di 15-60 minuti (in realtà
dipende da molti fattori) e si limitano a fornire il tempo necessario al
salvataggio dei dati e del lavoro sul PC. Lo schema è quello in figura 7.
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Figura 7 –
Elementi base di un gruppo di continuità UPS; in figura non è mostrato il
rilevatore di linea che riconosce black-out o sovratensioni pericolose.
Al contrario, i gruppi di continuità di industrie ed ospedali
fanno uso di veri e propri generatori elettrici alimentati da motori a
combustione interna (tipicamente diesel) come in figura 8; la coppia batteria-inverter
ha lo scopo di fornire energia solo per i pochi minuti necessari al motore
diesel per raggiungere il funzionamento di regime.
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Figura 8 –
Schema a blocchi di gruppo di continuità per utilizzatori industriali.
I moderni climatizzatori/condizionatori impiegano inverter elettronici per la regolazione di velocità del motore elettrico
all’interno del compressore. Come noto, quest’ultimo ha il compito di mantenere
in moto il gas refrigerante che raffredda l’aria emessa nell’ambiente climatizzato,
figura 9.
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Figura 9 –
Circuito refrigerante di condizionatore d’aria: controllo della velocità del
compressore mediante inverter.
I primi condizionatori (e tuttora i modelli più
economici) controllavano il compressore con un ciclo ON/OFF cioè accendendolo e
spegnendolo continuamente per mantenere la temperatura impostata. La continua
accensione del motore del compressore è, nel tempo, altamente dispendiosa in
termini di energia e di costi perché prevede elevati assorbimenti di corrente
dalla rete elettrica (fenomeno di “spunto” del motore). Ciò si traduce in un
aumento dei costi sulla bolletta per l’energia e, è bene non dimenticarlo mai,
in un inutile sovraccarico della rete elettrica.
Considerata la sempre più elevata diffusione dei
condizionatori nelle case e negli uffici, una politica di riduzione dei consumi
(favorita in questo caso dai sistemi ad inverter) può limitare alcune cause degli
spiacevoli black-out, purtroppo sempre più frequenti nei mesi
estivi. Inutile dire che un utilizzo consapevole e moderato dei condizionatori
è condizione indispensabile per un consumo razionale dell’energia.