Con la maggiore diffusione dell’elettronica, l’aumento delle fonti di energia rinnovabile e dei processi di automazione industriale, gli inverter sono diventati apparecchiature elettriche onnipresenti per fornire alimentazione CA da una sorgente CC.

 

Che cos’è un inverter?

La maggior parte dei progetti di alimentatori include una sezione chiamata raddrizzatore, che prende l’onda CA in ingresso e la trasforma in una tensione CC ondulata. Tuttavia, non possiamo sempre fare affidamento su un ingresso CA proveniente dalla rete elettrica dell’edificio per alimentare il nostro sistema.

Un inverter è un dispositivo che prende una corrente continua (CC) e la trasforma in una corrente alternata (CA). Gli inverter hanno numerosi impieghi e si possono trovare comunemente in:

• Produzione industriale
• Energia rinnovabile (generatori eolici e parchi solari)
• Sistemi di alimentazione di riserva a batteria
• Azionamenti a velocità variabile per motori CA
• Auto elettriche

 

Gli inverter trasformano l’alimentazione CC in alimentazione CA

Tradizionalmente, la conversione dell’alimentazione CC veniva realizzata tramite un gruppo motogeneratore, in cui un motore alimentato a corrente continua azionava direttamente un generatore per produrre la potenza CA necessaria. Il sistema opposto, costituito da un motore CA che azionava un generatore CC, veniva chiamato convertitore; da qui deriva il nome inverter, usato per un gruppo di conversione da CC a CA, denominazione rimasta in uso. Una versione alternativa utilizzava un meccanismo di commutazione meccanico alloggiato in un tubo a vuoto, che invertiva la polarità della corrente continua a intervalli appropriati.

 

Figura 1. Un tipico inverter di potenza. Immagine utilizzata per gentile concessione di Schneider Electric

 

La maggior parte degli inverter moderni funziona come dispositivo a stato solido e non richiede parti mobili per trasformare la corrente continua in corrente alternata. Questo consente di ottenere un livello di affidabilità più elevato e una maggiore efficienza. Gli inverter sono diventati sempre più complessi e possono fornire un’alimentazione affidabile, in grado di alimentare anche apparecchiature elettriche sensibili. Un’alimentazione sinusoidale pulita è importante per la durata dei motori e delle apparecchiature sensibili che utilizzano corrente alternata fornita da un inverter.

 

Come funzionano gli inverter?

La maggior parte degli inverter moderni utilizza una forma di circuiteria a ponte H per modificare la polarità della corrente continua. Nella maggior parte dei casi, la corrente continua a bassa tensione deve essere amplificata per raggiungere la tensione della corrente alternata che dovrà fornire. La commutazione della tensione CC crea naturalmente una corrente alternata perché, in linea di principio, l’alimentazione CA è una corrente elettrica che inverte la polarità a una determinata frequenza.

I ponti H sono costituiti da quattro interruttori che possono essere utilizzati per invertire la polarità di un carico attraverso un circuito a forma di H, consentendo alla corrente di attraversare la H in entrambe le direzioni a seconda dell’orientamento degli interruttori. Questi circuiti sono comunemente utilizzati per invertire la polarità dei motori, come mostrato nello schema elettrico seguente.

 

Figura 2. Un semplice circuito a ponte H può essere utilizzato per invertire efficacemente la polarità della corrente continua. Immagine utilizzata per gentile concessione dell’autore

 

Un ponte H di base può fornire corrente alternata alla frequenza corretta, ma la potenza in uscita ha una forma d’onda diversa da quella che dovrebbe essere fornita dalla rete elettrica.

Quando la polarità dell’alimentazione CC viene invertita tramite un ponte H, la forma d’onda risultante è quadra. Per alcune applicazioni, le forme d’onda quadre non sono dannose purché la frequenza dell’onda rientri nell’intervallo appropriato; tuttavia, possono essere problematiche per le apparecchiature elettriche più sensibili e per il funzionamento dei motori CA. Questi dispositivi elettronici sensibili richiedono una forma d’onda di corrente alternata puramente sinusoidale per funzionare correttamente e garantire una lunga durata, poiché le forme d’onda quadre possono danneggiare determinate apparecchiature.

 

Tipi di inverter

Gli inverter possono essere classificati in base al tipo di alimentazione CA che producono. L’alimentazione CA generata dalla rete ha una forma sinusoidale pura e alterna gradualmente la tensione alta e bassa secondo la forma di un’onda sinusoidale.

Poiché i ponti H di base commutano tecnicamente soltanto la tensione in avanti o all’indietro, non possono generare direttamente una forma d’onda sinusoidale senza componenti aggiuntivi. La complessità dei componenti aggiunti determina la forma d’onda prodotta da ciascun tipo di inverter. Le tre forme d’onda più comuni prodotte da un inverter sono:

• Forma d’onda quadra
• Onda sinusoidale modificata
• Onda sinusoidale pura

I nomi di questi tipi di inverter sono piuttosto intuitivi; il costo di ciascun inverter è direttamente correlato alla precisione con cui riesce a riprodurre una forma d’onda CA sinusoidale.

 

Inverter a onda quadra

Un inverter a onda quadra è semplicemente un ponte H che commuta la polarità della corrente per creare una forma d’onda con periodo e ampiezza corretti. Le applicazioni di questo tipo di inverter sono limitate a causa della natura dell’alimentazione CA prodotta. Gli inverter a onda quadra rappresentano il progetto più semplice e hanno un costo contenuto e, in alcuni casi, tassi di efficienza superiori rispetto agli inverter a onda sinusoidale modificata o pura.

A seconda dell’applicazione, gli inverter a onda quadra possono offrire un metodo semplice ed economico per convertire la corrente continua in corrente alternata, purché l’apparecchiatura alimentata non risenta negativamente di una corrente CA con forma d’onda non sinusoidale.

 

Inverter a onda sinusoidale modificata

Un inverter a onda sinusoidale modificata utilizza un circuito a ponte H e un interruttore ad alta velocità. In un inverter a onda sinusoidale modificata, l’alimentazione CC viene alternata dal ponte H, mentre un interruttore ad alta velocità invia impulsi alla corrente in modo tale che la tensione media imiti quella di un’alimentazione CA con forma d’onda sinusoidale. Un microcontrollore commuta l’alimentazione con impulsi di accensione e spegnimento variabili (chiamati modulazione della larghezza d’impulso, o PWM) in modo che la tensione media in ogni istante imiti la tensione prevista per un’alimentazione sinusoidale durante il periodo dell’onda.

Il risultato di questa commutazione è una forma d’onda a gradini, molto più simile a un’onda sinusoidale, ma non ancora perfettamente sinusoidale. Per molte applicazioni, questo tipo di alimentazione CA è accettabile e può essere utilizzato con la maggior parte dei dispositivi elettronici e dei motori.

 

Figura 3. Un inverter a onda sinusoidale modificata ha una forma d’onda con lo stesso periodo e la stessa ampiezza dell’alimentazione puramente sinusoidale, ma la sua forma è costruita mediante gradini discreti. Immagine utilizzata per gentile concessione di The Inverter Store

 

Inverter a onda sinusoidale pura

Un inverter a onda sinusoidale pura funziona secondo gli stessi principi di un inverter a onda sinusoidale modificata; tuttavia, sono necessari componenti elettronici aggiuntivi per perfezionare ulteriormente l’onda sinusoidale modificata e ottenere un’onda che assomigli a quella della rete elettrica. A questo scopo, l’uscita a onda sinusoidale modificata attraversa un circuito LC.

Un circuito LC di base è costituito da un induttore (L) e un condensatore (C), che possono funzionare come risonatore elettrico per uniformare i gradini ravvicinati e ottenere una forma sinusoidale accettabile. La forma d’onda è simile a quella dell’alimentazione prodotta dalla rete elettrica. L’alimentazione prodotta da un inverter a onda sinusoidale pura è di qualità superiore per le apparecchiature sensibili, ma a scapito di un’efficienza inferiore rispetto agli inverter a onda sinusoidale modificata o a onda quadra.

 

Chi ha bisogno degli inverter?

Questi dispositivi possono essere importanti soprattutto per fornire energia alla rete, ma sono necessari anche quando si deve garantire un’alimentazione di riserva, ad esempio tramite un gruppo di continuità (UPS) o una batteria di backup che deve alimentare le prese nei quadri elettrici. Se si dispone di apparecchiature sensibili collegate a una presa a tensione di rete che potrebbero risentire delle interruzioni di corrente, un inverter può essere la soluzione giusta per garantire un’erogazione costante dell’alimentazione.