Che cos'è un inverter di tensione, come funziona, l'uso di un inverter
Per convertire la corrente continua in corrente alternata vengono utilizzati speciali alimentatori elettronici chiamati inverter. Molto spesso, un inverter converte una tensione CC di una grandezza in una tensione CA di un'altra grandezza.
Pertanto, l'inverter è un generatore di tensione che cambia periodicamente, mentre la forma d'onda della tensione può essere sinusoidale, quasi sinusoidale o pulsata... Gli inverter sono utilizzati sia come dispositivi indipendenti che come parte di sistemi di continuità (UPS).
Come parte dei gruppi di continuità (UPS), gli inverter consentono, ad esempio, di ricevere alimentazione continua ai sistemi informatici e, se la tensione scompare improvvisamente nella rete, l'inverter inizierà immediatamente a fornire al computer l'energia ottenuta dalla batteria di backup. Almeno l'utente avrà il tempo di spegnere e spegnere il computer.
I gruppi di continuità più grandi utilizzano inverter più potenti con batterie di grande capacità che possono alimentare autonomamente i consumatori per ore indipendentemente dalla rete e, quando la rete torna alla normalità, l'UPS trasferirà automaticamente i consumatori direttamente alla rete e le batterie inizieranno a caricarsi.
Il lato tecnico
Nelle moderne tecnologie di conversione elettrica, l'inverter può fungere solo da unità intermedia, dove la sua funzione è quella di convertire la tensione attraverso una trasformazione ad alta frequenza (decine e centinaia di kilohertz). Fortunatamente oggi questo problema può essere facilmente risolto, perché per lo sviluppo e la progettazione di inverter sono disponibili sia interruttori a semiconduttore in grado di resistere a correnti di centinaia di ampere, nuclei magnetici con i parametri necessari e microcontrollori elettronici appositamente progettati per inverter (compresi risonanti).
I requisiti per gli inverter, così come per altri dispositivi di potenza, includono: alta efficienza, affidabilità, dimensioni e peso minimi possibili. È inoltre necessario che l'inverter resista al livello consentito di armoniche superiori nella tensione di ingresso e non crei un rumore impulsivo inaccettabilmente elevato per gli utenti.
Negli impianti con fonti di energia elettrica "verdi" (pannelli solari, mulini eolici) per fornire energia elettrica direttamente alla rete generale, vengono utilizzati inverter Grid-tie, che possono lavorare in sincronia con la rete industriale.
Durante il funzionamento dell'inverter di tensione, la sorgente di tensione costante è periodicamente collegata al circuito di carico con polarità variabile, mentre la frequenza delle connessioni e la loro durata sono formate da un segnale di controllo proveniente dal controllore.
Il controller nell'inverter di solito svolge diverse funzioni: regolazione della tensione di uscita, sincronizzazione del funzionamento degli interruttori a semiconduttore, protezione del circuito dal sovraccarico. In generale gli inverter si dividono in: inverter stand-alone (inverter a corrente e tensione) e inverter dipendenti (grid-driven, grid-driven, ecc.)
Circuito dell'invertitore
Gli interruttori a semiconduttore dell'inverter sono controllati dal controller e dispongono di diodi shunt inversi. La tensione di uscita dell'inverter, a seconda della potenza attuale del carico, viene regolata modificando automaticamente l'ampiezza dell'impulso nel convertitore ad alta frequenza, nel caso più semplice PWM (modulazione di larghezza di impulso).
Le semionde della tensione a bassa frequenza di uscita devono essere simmetriche in modo che i circuiti di carico non ricevano comunque una componente costante significativa (per i trasformatori questo è particolarmente pericoloso), per questo l'ampiezza dell'impulso del blocco LF (nel caso più semplice) è reso costante .
Nel controllo degli interruttori di uscita dell'inverter viene utilizzato un algoritmo che garantisce un cambiamento sequenziale nelle strutture del circuito di potenza: diretto, cortocircuito, inverso.
In un modo o nell'altro, il valore della potenza di carico istantanea all'uscita dell'inverter ha il carattere di onde a doppia frequenza, pertanto la sorgente primaria deve consentire tale modalità di funzionamento quando le correnti di ondulazione lo attraversano e sopportare un corrispondente livello di interferenza (all'ingresso dell'inverter).
Se i primi inverter erano esclusivamente meccanici, oggi ci sono molte opzioni per circuiti inverter a semiconduttore e ci sono solo tre schemi tipici: un ponte senza trasformatore, una spinta con il terminale zero del trasformatore, un ponte con trasformatore.
Il circuito a ponte senza trasformatore si trova nei gruppi di continuità da 500 VA e negli inverter per autoveicoli. Il circuito scorrevole con il terminale neutro del trasformatore viene utilizzato negli UPS a bassa potenza (per computer) con una capacità fino a 500 VA, dove la tensione della batteria di backup è di 12 o 24 volt. Il circuito a ponte con trasformatore viene utilizzato in potenti fonti di gruppo di continuità (per unità e decine di kVA).
Forma d'onda della tensione di uscita
Negli inverter di tensione rettangolari, un gruppo di interruttori a diodi inversi viene commutato in uscita in modo da produrre una tensione alternata attraverso il carico e fornire una modalità di circolazione controllata nel circuito energia reattiva.
Sono responsabili della proporzionalità della tensione di uscita: la durata relativa degli impulsi di comando o lo sfasamento tra i segnali di comando dei gruppi di tasti. Nella modalità di circolazione incontrollata della potenza reattiva, l'utente influenza la forma e l'entità della tensione di uscita dell'inverter.
Negli inverter di tensione con un'uscita a gradino, il preconvertitore ad alta frequenza forma una curva di tensione a gradino unipolare, la cui forma si avvicina approssimativamente a un'onda sinusoidale il cui periodo è la metà del periodo della tensione di uscita. Il circuito a ponte LF converte quindi la curva a gradino unipolare in due metà di una curva bipolare che assomiglia approssimativamente a un'onda sinusoidale.
Negli inverter di tensione con una forma sinusoidale (o quasi sinusoidale) dell'uscita, il preconvertitore ad alta frequenza genera una tensione costante prossima in ampiezza alla futura uscita sinusoidale.
Il circuito a ponte forma quindi una bassa frequenza variabile da una tensione costante, per mezzo di più PWM, quando ciascuna coppia di transistor in ogni semiciclo di formazione della sinusoide di uscita viene aperta più volte per un tempo variabile secondo la legge armonica . Un filtro passa-basso quindi estrae un seno dalla forma d'onda risultante.
Circuiti di preconversione HF negli inverter
I circuiti di preconversione ad alta frequenza più semplici negli inverter sono autogeneranti. Sono abbastanza semplici in termini di implementazione tecnica e sono abbastanza efficienti a basse potenze (fino a 10-20 W) per alimentare carichi che non sono critici per il processo di alimentazione. La frequenza degli oscillatori non supera i 10 kHz.
Il feedback positivo in tali dispositivi si ottiene saturando il circuito magnetico del trasformatore. Ma per potenti inverter, tali schemi non sono accettabili, poiché le perdite negli interruttori aumentano e l'efficienza è in definitiva bassa.Inoltre un eventuale cortocircuito in uscita interrompe le autooscillazioni.
I circuiti migliori dei convertitori preliminari ad alta frequenza sono flyback (fino a 150 W), push-pull (fino a 500 W), mezzo ponte e ponte (più di 500 W) dei controller PWM, dove la frequenza di conversione raggiunge centinaia di kilohertz.
Tipi di inverter, modalità di funzionamento
Gli inverter di tensione monofase sono divisi in due gruppi: con un'onda sinusoidale pura in uscita e con un'onda sinusoidale modificata.La maggior parte dei dispositivi moderni consente una forma semplificata del segnale di rete (onda sinusoidale modificata).
Un'onda sinusoidale pura è importante per i dispositivi che hanno un motore elettrico o un trasformatore all'ingresso, o se si tratta di un dispositivo speciale che funziona solo con un'onda sinusoidale pura all'ingresso.
Gli inverter trifase sono generalmente utilizzati per generare corrente trifase per motori elettrici, ad esempio per l'alimentazione motore asincrono trifase… In questo caso, gli avvolgimenti del motore sono collegati direttamente all'uscita dell'inverter. In termini di potenza, l'inverter viene selezionato in base al suo valore di picco per l'utente.
In generale, ci sono tre modalità di funzionamento dell'inverter: avvio, continuo e sovraccarico. Nella modalità di avvio (ricarica della capacità, avvio del frigorifero) la potenza può raddoppiare la potenza dell'inverter in una frazione di secondo, questo è accettabile per la maggior parte dei modelli. Modalità continua - corrispondente al valore nominale dell'inverter. Modalità sovraccarico - quando la potenza dell'utente è 1,3 volte quella nominale - in questa modalità, l'inverter medio può funzionare per circa mezz'ora.