Raddrizzatori ed inverter

Inverter

Introduzione

L'energia elettrica è, nel nostro tempo, la forma di energia maggiormente utilizzata in quanto comporta innegabili vantaggi rispetto ad altri tipi di energia (basta pensare alla facilità con cui può essere trasportata o al fatto che può essere convertita in maniera molto efficiente in o da altre forme di energia, per esempio quella meccanica).

Esiste un'ampia gamma di modalità diverse in cui l'energia elettrica può essere resa disponibile, in funzione dell'applicazione a cui è destinata. Infatti, la forma che risulta più conveniente per il trasporto su grande scala non è, per esempio, la più adatta per il funzionamento di circuiti logici digitali. Ecco quindi che ogni specifico utilizzatore si interfaccerà meglio con un particolare tipo di sorgente e si intuisce la necessità di effettuare delle conversioni tra le varie forme di energia elettrica per realizzare sorgenti del tipo desiderato.

Possono essere necessarie conversioni del livello di tensione, sia in continua che in alternata, o conversioni di frequenza (il raddrizzamento ne è un esempio in quanto è un passaggio da 50 Hz a 0 Hz), o ancora conversioni di forme d'onda (sinusoidali, quadre, triangolari, ecc.) o conversioni riguardanti il numero di fasi di alimentazione.

In passato ciò era realizzato spesso utilizzando macchine rotanti, quindi con un passaggio intermedio dell'energia in forma meccanica ma oggi, grazie ai progressi nella costruzione di dispositivi elettronici, si preferisce ricorrere ai cosiddetti “convertitori statici”.

Raddrizzatori ed Inverter

In generale, la distinzione tra un raddrizzatore ed un inverter è puramente artificiale: in un raddrizzatore l'energia fluisce da una sorgente ac ad un carico dc; in un inverter il flusso va da una sorgente dc ad un carico ac. Per cui possiamo dire che un inverter ha la stessa funzione di un raddrizzatore tranne che per la direzione del flusso di energia. Un “circuito di conversione generico” che connette un circuito in alternata ed un circuito in continua, potrebbe supportare flussi di energia bidirezionale e potrebbe quindi funzionare sia come raddrizzatore che come inverter.

Ma il diodo è un dispositivo passivo cioè il suo comportamento è determinato unicamente dalle condizioni imposte ai suoi due terminali senza alcuna possibilità di regolazione o altro tipo di controllo. Si capisce quindi che un raddrizzatore costruito con diodi non può mai iniziare a funzionare come inverter poiché non ci sono circuiti di ingresso che possono alterare la funzione dei dispositivi che lo costituiscono. Questa necessità di controllo può essere fornita da altri dispositivi, quali l'SCR. Questo componente non conduce fino a che un segnale viene applicato al suo terminale di controllo o gate. Una volta che ciò avviene il dispositivo funziona più o meno come un diodo convenzionale. In questo modo il gate permette una regolazione del processo di conduzione e porta al concetto di diodo regolabile.

Altri componenti dotati di possibilità di controllo vengono oggi adoperati per la costruzione sia di inverter sia di altri tipi di convertitori: BJT (Bipolar Junction Transistor), MOS-FET (Metal Oxide Semiconductor- Field Effect Transistor), GTO (Gate Turn-Off) e più recentemente IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor).

Tutti questi dispositivi vengono utilizzati proprio sfruttando le loro proprietà di controllo sullo stato di conduzione o di blocco della corrente e cioè facendoli funzionare come degli interruttori. Nell'analisi che andremo a fare del funzionamento degli inverter quindi, considereremo come componente base un “interruttore ideale” cioè un dispositivo con due possibili stati: quello di accensione (on), caratterizzato da tensione nulla ai suoi capi mentre viene attraversato da una qualsiasi intensità di corrente imposta dal resto del circuito, e quello di spegnimento (off), caratterizzato da corrente nulla e da un qualsiasi livello di tensione ai suoi capi anch'esso imposto dal resto del circuito. In entrambi i casi la potenza dissipata sul componente è nulla. L'interruttore quindi controlla il flusso di energia senza perdite.

Considerazioni sugli Inverter

Un inverter reale assorbe potenza da una sorgente dc e la fornisce ad un carico ac come per esempio un motore, un altoparlante o un qualsiasi dispositivo normalmente funzionante su una linea di alimentazione in corrente alternata.

Possiamo distinguere due tipi base di inverter: i CSI ed i VSI. I Voltage-Source Inverter (VSI), sono alimentati da una sorgente di tensione dc a bassa impedenza, come una batteria o un raddrizzatore, a cui sono collegati mediante un filtro LC. Il grosso condensatore di filtro collegato tra i morsetti di ingresso dell'inverter mantiene una tensione dc costante. L'inverter si comporta perciò come una sorgente di tensione a frequenza regolabile, la cui tensione di uscita è essenzialmente indipendente dalla corrente di carico.

I Current-Source Inverter (CSI) invece, sono alimentati con una corrente costante proveniente da una sorgente dc ad elevata impedenza. In genere l'inverter viene alimentato da un raddrizzatore a tiristori a controllo di fase, mediante un grosso induttore in serie. Quindi viene regolata la corrente di uscita piuttosto che la tensione e quest'ultima è dipendente dall'impedenza del carico. I CSI vengono attualmente impiegati solo per pilotaggio di motori di potenza molto elevata. In genere con il termine semplice di “inverter” ci si riferisce ai VSI.

Una caratteristica che nella pratica si richiede sempre ad un inverter è quella di far sì che la componente continua della forma d'onda di uscita sia nulla; ciò perché spesso i carichi reali in ac includono trasformatori magnetici e quando a questi ultimi viene applicata tensione continua, la corrente da essa derivante può portare il nucleo in saturazione con conseguente cessazione del funzionamento corretto del dispositivo.

La struttura più semplice che si possa immaginare per trasferire energia da una sorgente di tensione continua ad un carico in alternata mediante l'utilizzo di interruttori, è quella denominata half-bridge (Fig.1).

V _1d LOAD V _d2
Fig. 1. Half-bridge inverter

Come si vede dalla topologia del circuito, chiudendo alternativamente i due interruttori bidirezionali si può ottenere l'applicazione di una tensione alternata ad onda quadra al carico. Per usare questa configurazione è però necessario avere a disposizione un sistema di alimentazione duale con possibilità di accesso al punto centrale. Ciò può essere ottenuto mediante l'utilizzo di batterie come sorgenti dc, oppure utilizzando una coppia di grossi condensatori in serie, collegati tra i morsetti di uscita di un raddrizzatore ed utilizzando come presa centrale il punto di connessione tra le due capacità.

Supponiamo di voler realizzare una forma d'onda di tensione in uscita che contenga una componente di Fourier a 50 Hz. Inoltre, non si deve produrre alcuna componente continua per i motivi già ricordati. È ovvio che i due interruttori non dovranno mai essere chiusi contemporaneamente; inoltre essendo tipicamente il carico di natura induttiva, durante il funzionamento gli switch non dovranno mai neanche aprirsi contemporaneamente tentando in questo modo di forzare una brusca interruzione della corrente. Quindi essi dovranno chiudersi ed aprirsi alternativamente.

Introducendo delle “switching functions” q(t) definite nel seguente modo:

• 1 se l'interruttore i è ON
• 0 se l'interruttore i è OFF

La tensione di uscita può allora scriversi:

V_out(t) = V_d/2 * q₁(t) - V_d/2 * q₂(t)

Con la condizione: q₁(t) + q₂(t) = 1

E allora la tensione di uscita si semplifica in:

V_out(t) = V_d/2 - 2q₁(t)

Il modo più diretto per realizzare il comportamento richiesto è usare gli switch per creare un'onda quadra simmetrica a 50 Hz. Il duty ratio pari a 0.5 è tale da rendere la componente dc nulla. La serie di Fourier della tensione di uscita risulta:

V_out(t) = (4/π) * V_d * ∑(cos(nωt) - φ_n), dove n è dispari