Figura 1 Schema di ponte monofase adottato negli inverter.

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1 Salve, vorrei sapere quali sono le applicazioni dell'inverter elettronico e in quale modo operano gli inverter inseriti nei condizionatori odierni al fine di consentire un risparmio energetico sulla bolletta. Grazie (Risponde Cristiano Azzolini) 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 (V OUT = V X - V Y = V XY ). Figura 1 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 V DC tramite A1 mentre A2 connette il nodo Y al riferimento di massa (potenziale 0 V). La tensione di uscita raccolta è allora: V OUT = V XY = V DC 0 = V DC 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 V DC 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: V OUT = V XY = 0 - V DC = - V DC 1/5

2 Figura 2 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. 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. 2/5

3 Figura 4 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. 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. Come curiosità si può aggiungere che gli 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: 3/5

4 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: 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 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. 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. 4/5

5 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. 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 vialattea.net - Tutti i diritti riservati 5/5