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Corso di elettronica di potenza: l’inverter monofase a ponte intero – seconda parte (decima puntata)

da | 12 Lug, 23 | Tutorial |

In questa puntata del corso esaminiamo il funzionamento dell’inverter monofase a ponte intero, un dispositivo elettronico utilizzato per convertire la corrente continua (DC) in corrente alternata (AC). Esso utilizza un circuito a ponte di diodi per effettuare questa conversione, che consente di ottenere una maggiore efficienza rispetto ad altri tipi di inverter. Gli inverter monofase sono meno complessi rispetto agli inverter trifase. In generale, gli inverter monofase a ponte sono una soluzione affidabile e conveniente per la conversione dell’energia solare in energia elettrica utilizzabile. Con la crescente domanda di fonti di energia pulita, si prevede che la loro popolarità continuerà ad aumentare in futuro.

Principio di funzionamento

Gli inverter monofase a ponte intero sono utilizzati, come detto prima, per trasformare la corrente continua in corrente alternata. In questo circuito, gli interruttori elettronici funzionano a coppia e, in una semionda, sono chiusi solo S1 ed S2, mentre nell’altra semionda, sono chiusi S3 ed S4. L’uscita dell’inverter è una tensione alternata di frequenza variabile e dipendente dalla frequenza delle forme d’onda che pilotano i dispositivi. La figura 1 mostra lo schema generale di funzionamento di questo inverter. In pratica gli interruttori elettronici della parte “a” del circuito sono comandati in modo complementare rispetto agli interruttori elettronici della parte “b”. Gli interruttori sono, in questo caso, dei dispositivi ideali. I due segnali sono modulati con tensioni di riferimento uguali ed opposte. Normalmente si usa la stessa portante elettrica per i due segnali di pilotaggio.

Figura 1: lo schema di principio dell’inverter monofase a ponte intero

L’inverter a generatore di tensione monofase a ponte intero è costituito da quattro circuiti chopper, come si può osservare in figura 2. In esso vi sono quattro transistor o MOSFET (Q1, Q2, Q3 e Q4). Essi possono essere pilotati individualmente e indipendentemente, per cui il funzionamento finale è differente a seconda della sequenzialità e della modalità di accensione e di spegnimento degli interruttori elettronici. Questo dispositivo è chiamato anche “ponte H” per via della caratteristica forma grafica che formano i suoi componenti elettronici. Il risultato finale deriva dall’unione di due inverter monofase a due livelli che utilizzano la stessa tensione di alimentazione. Esaminiamo, di seguito, le diverse sequenze di attivazione:

  • se gli elementi di commutazione Q1 e Q2 sono entrambi chiusi, il carico (presente tra i nodi “a” e “b”) è sottoposto a una tensione pari a Vs, e precisamente al nodo “a” c’è un valore di tensione pari a circa Vs e al nodo “b” c’è un valore di tensione pari a circa GND;
  • se gli elementi di commutazione Q3 e Q4 sono entrambi chiusi, il carico (presente tra i nodi “a” e “b”) è sottoposto a una tensione pari a Vs, ma questa volta invertita di polarità, e precisamente al nodo “a” c’è un valore di tensione pari a circa GND mentre al nodo “b” c’è un valore di tensione pari a circa Vs.

Figura 2: schema di principio di un inverter VSI monofase a ponte

La corrente che transita sul carico non è ideale ma deve sottostare ai valori resistivi degli interruttori elettronici che, come si sa, non sono reali nemmeno essi. Anzi, la corrente, transitando attraverso due dispositivi collegati in serie alla volta deve attraversare, a tutti gli effetti, due linee resistive dal valore molto basso ma pur sempre significativo. La figura 3 mostra il percorso della corrente secondo diversi stati logici degli interruttori elettronici.

Figura 3: il percorso della corrente in dipendenza allo stato logico degli interruttori elettronici, in un inverter monofase a ponte

Ad ogni modo, il valore teorico efficace della tensione di uscita è uguale alla seguente equazione:

Il controllo ad onda quadra permette di pilotare gli interruttori del ponte in modo da collegare ciascun terminale del carico, per mezzo periodo, al morsetto positivo dell’alimentazione in continua e, per mezzo periodo, al morsetto negativo. In questa maniera i due rami del ponte sono comandati a coppie incrociate. Andiamo a esaminare, adesso, i quattro stati di funzionamento in commutazione dei quattro interruttori elettronici (transistor o MOSFET). La seguente tabella fornisce le diverse tensioni presenti ai nodi “a” e “b” alle varie modalità d’uso. Il funzionamento dell’inverter monofase a ponte è testimoniato dalla seguente tabella, che elenca le condizioni logici dei vari interruttori, assieme ad altre informazioni riguardanti le tensioni e i componenti in conduzione.

SW1 SW2 SW3 SW4 Status V(a0) V(b0) V(0) Components in conduction
Closed Closed Open Open 1 Vs/2 -Vs/2 Vs S1 and S2 if i0>0 D1 and D2 if i0<0
Open Open Closed Closed 2 -Vs/2 Vs/2 -Vs S4 and S3 if i0<0 D4 and D3 if i0>0
Closed Open Closed Open 3 Vs/2 Vs/2 0 S1 and D3 if i0>0 D1 and S3 if i0<0
Open Closed Open Closed 4 -Vs/2 -Vs/2 0 D4 and S2 if i0>0 S4 and D2 if i0<0

E’ molto interessante notare che quando i diodi D1 e D2 conducono, la corrente circolante ritorna verso il generatore di tensione, allo stesso modo del funzionamento in retroazione. Il valore della potenza istantanea, nel caso di un carico puramente resistivo, è pari al prodotto della tensione istantanea per la corrente istantanea. Se il carico, invece, è induttivo, la sua corrente e la tensione sono sinusoidali. Le eventuali armoniche ritornano indietro verso il generatore di tensione e dovrebbero essere annullate o ridotte, collegando in parallelo al generatore di tensione una grossa capacità, che purtroppo contribuisce ad aumentare il peso, l’ingombro e il costo di tale tipologia di inverter. Per evitare la conduzione contemporanea degli interruttori opposti si implementa un piccolo tempo morto tra i due comandi di accensione. In questa tipologia di schema elettrico, il vantaggio è costituito dall’utilizzo di una sola tensione di alimentazione. Gli interruttori funzionano a coppia e in una semionda saranno chiusi solo Q1 e Q2, nell’altra semionda saranno chiusi Q3 e Q4. Con gli obsoleti SCR, le frequenze di lavoro tipiche erano di 50 Hz o 300 Hz, valori che rientrano nello spettro audio udibile, pertanto i vecchi dispositivi generavano fastidiosi fischi e note acustiche. Con i nuovi componenti elettronici è possibile aumentare tale frequenza. Se si ipotizza un carico fortemente induttivo, la corrente assume un andamento triangolare simmetrico (vedi il relativo grafico in figura 4). Il grafico mostra la tensione e la corrente sul carico e in ogni periodo vi sono quattro distinti intervalli di conduzione, a cui corrisponde un preciso circuito. Dopo la commutazione, la corrente sul carico induttivo non può variare bruscamente, invertendo istantaneamente il suo verso, quindi essa continua a circolare con lo stesso verso (attraverso i diodi di ricircolo posti in parallelo agli interruttori elettronici) fino a completo annullamento. Poi, il il verso di circolazione si inverte. A ogni periodo, l’inverter funziona su 4 quadranti nel piano V-I, lavorando da inverter e da raddrizzatore. E’ ovvio che l’onda quadra presenti la prima armonica, di ampiezza superiore, e le altre armoniche dispari, con una percentuale di distorsione armonica del 48% circa. Tali armoniche possono essere drasticamente ridotte utilizzando appositi filtri.

Figura 4: il grafico della tensione e la corrente sul carico

Conclusioni

In conclusione, l’inverter monofase a ponte intero è un dispositivo elettronico che consente di convertire la corrente continua in corrente alternata monofase. Ha molti vantaggi rispetto ai tradizionali inverter a trasformatore, tra cui una maggiore efficienza, una minore dimensione e un peso inferiore. Inoltre, questo tipo di inverter è adatto per l’uso di una vasta gamma di applicazioni, dalle piccole fonti di energia rinnovabile alle grandi centrali elettriche. Tuttavia, è importante scegliere un inverter di qualità per garantire che funzioni correttamente e duri a lungo. Oggi la tecnologia consente di utilizzare componenti di commutazione estremamente veloci e con la capacità di sopportare alte correnti e tensioni. Con essi è possibile realizzare dispositivi molto affidabili, piccoli e leggeri. Inoltre i componenti al carburo di silicio (SiC) e all’arseniuro di gallio (GaN) possono contribuire a rendere i dispositivi elettronici più efficienti. Essi sono materiali semiconduttori che hanno proprietà elettriche superiori rispetto al silicio tradizionale, come una maggiore tolleranza alle alte temperature e una minore resistenza interna. Ciò significa che i dispositivi elettronici basati su SiC e GaN possono funzionare più velocemente e con una minore perdita di energia, migliorando l’efficienza globale. Essi possono essere progettati per l’utilizzo massivo nei sistemi di alimentazione solare, in quanto essi sono in grado di gestire tensioni di ingresso DC variabile e di generare tensioni di uscita AC molto stabili. Inoltre, essi sono in grado di gestire carichi non lineari, come i carichi induttivi, capacitivi e misti, rendendoli ideale per l’utilizzo in applicazioni residenziali e industriali.

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