Invertire il circuito di rettifica, collegare un'estremità alla corrente continua (CC) e l'altra estremità può far uscire la corrente alternata (CA). Si tratta di un inverter, un dispositivo che converte la corrente continua in corrente alternata.
La maggior parte dei carichi commerciali, industriali e residenziali richiedono alimentazione CA, ma l'energia CA non può essere immagazzinata nelle batterie e la conservazione nelle batterie è importante per l'alimentazione di backup. Al giorno d'oggi, questo difetto può essere superato con un alimentatore DC.
La polarità dell'alimentazione CC non cambia nel tempo come l'alimentazione CA, quindi l'energia CC può essere immagazzinata in batterie e supercondensatori. Quindi possiamo prima convertire l'energia CA in energia CC e quindi immagazzinarla nella batteria. In questo modo, ogni volta che è necessaria alimentazione CA per far funzionare gli apparecchi CA, la potenza CC verrà riconvertita in alimentazione CA per far funzionare gli apparecchi CA.
A seconda della sorgente di ingresso, del metodo di connessione, della forma d'onda della tensione di uscita, ecc. dell'applicazione, gli inverter sono suddivisi nelle seguenti 17 categorie principali.
1. Classificare per fonte di input
L'ingresso di un inverter può essere una sorgente di tensione o una sorgente di corrente, quindi è suddiviso in inverter con sorgente di tensione (VSI) e inverter con sorgente di corrente (CSI).
Invertitore della sorgente di tensione (VSI)
Quando l'ingresso dell'inverter è una sorgente di tensione CC costante, l'inverter è chiamato inverter con sorgente di tensione.
L'ingresso dell'inverter della sorgente di tensione ha una sorgente di tensione CC rigida con impedenza zero. In effetti, l'impedenza di una sorgente di tensione continua può essere ignorata. Supponendo che il VSI sia alimentato da una sorgente di tensione ideale (sorgente a impedenza estremamente bassa), la tensione di uscita CA è interamente determinata dallo stato dei dispositivi di commutazione nell'inverter e dall'alimentazione CC applicata.
Convertitore di corrente (CSI)
Quando l'ingresso dell'inverter è una sorgente di corrente CC costante, l'inverter è chiamato inverter con sorgente di corrente.
La corrente rigida viene fornita da una fonte di alimentazione CC a CSI, dove la fonte di alimentazione CC ha un'alta impedenza. Di solito, per fornire correnti rigide vengono utilizzati induttori di grandi dimensioni o correnti di controllo ad anello chiuso. L'onda di corrente risultante è rigida e non influenzata dal carico. La corrente di uscita CA è completamente determinata dai dispositivi di commutazione nell'inverter e dallo stato dell'alimentazione CC applicata.
2. Classificare per fase di uscita
In base alla tensione di uscita e alla fase di corrente, gli inverter si dividono principalmente in due categorie: inverter monofase e inverter trifase.
Invertitore monofase
Un inverter monofase converte l'ingresso CC in uscita monofase. La tensione/corrente di uscita di un inverter monofase ha una sola fase e la sua frequenza nominale è la tensione nominale di 50 Hz o 60 Hz.
La tensione nominale è definita come il livello di tensione al quale funziona l'impianto elettrico. Esistono diverse tensioni nominali, ovvero 120 V, 220 V, 440 V, 690 V, 3,3 KV, 6,6 KV, 11 kV, 33 kV, 66 kV, 132 kV, 220 kV, 400 kV e 765 kV. Una bassa tensione nominale può essere ottenuta direttamente attraverso l'uso di trasformatori interni o inverter con circuiti boost e buck, mentre per tensioni nominali elevate vengono utilizzati trasformatori boost esterni.
Gli inverter monofase vengono utilizzati per carichi bassi. Le perdite monofase sono maggiori e l'efficienza monofase è inferiore rispetto agli inverter trifase. Pertanto, gli inverter trifase sono la scelta preferita per carichi elevati.
Invertitore trifase
Un inverter trifase converte la corrente continua in energia trifase. Un alimentatore trifase fornisce tre canali di alimentazione CA con angoli di fase uniformemente separati. L'ampiezza e la frequenza di tutte e tre le onde generate all'estremità di uscita sono le stesse, ma variano leggermente a causa del carico e ciascuna onda ha uno sfasamento di 120 gradi tra loro.
Fondamentalmente un singolo inverter trifase è composto da tre inverter monofase, ciascuno con una distanza di fase di 120 gradi, e ciascun inverter monofase è collegato a uno dei tre terminali di carico.
3. Classificato in base alla tecnologia di commutazione
Secondo la tecnologia di commutazione, può essere divisa in due tipologie principali: inverter a commutazione di linea e inverter a commutazione forzata. Inoltre, possono esserci inverter a commutazione ausiliaria e inverter a commutazione complementare, ma poiché non sono comunemente utilizzati, discuteremo qui brevemente le due tipologie principali.
Inversione di linea
In queste tipologie di inverter la tensione di linea del circuito AC può essere ottenuta tramite apparecchiature; Quando la corrente nell'SCR presenta caratteristiche pari a zero, il dispositivo viene spento. Questo processo di commutazione è chiamato commutazione di linea e gli inverter che funzionano in base a questo principio sono chiamati inverter a commutazione di linea.
Commutazione forzata
In questo tipo di commutazione non ci sarà punto zero nell'alimentazione. Ecco perché sono necessarie alcune fonti esterne per correggere il dispositivo. Questo processo di commutazione è chiamato commutazione forzata e gli inverter basati su questo processo sono chiamati inverter a commutazione forzata.
4. Classificato in base al metodo di connessione
In base al metodo di connessione dei tiristori nel circuito, questo può essere suddiviso in inverter in serie, inverter in parallelo e inverter a ponte, tra i quali gli inverter a ponte sono ulteriormente suddivisi in mezzo ponte, ponte intero e ponte trifase.
Invertitore di serie
Un inverter in serie è costituito da una coppia di tiristori e circuiti RLC (resistenza, induttanza e capacità). Un tiristore è collegato in parallelo al circuito RLC e un tiristore è collegato in serie tra l'alimentazione CC e il circuito RLC. Questo tipo di inverter è chiamato inverter in serie perché il carico è direttamente collegato in serie con la fonte di alimentazione CC con l'aiuto di tiristori.
Gli inverter in serie sono anche conosciuti come inverter ad autocommutazione perché i tiristori di questo tipo di inverter sono autocommutati dal carico. Un altro nome per questo inverter è "inverter a commutazione di carico". Il motivo per cui è stato assegnato questo nome è che LCR è un carico che fornisce la commutazione.
Invertitore parallelo
Un inverter parallelo è costituito da due tiristori, un condensatore, un trasformatore con presa centrale e un induttore. I tiristori vengono utilizzati per fornire un percorso al flusso di corrente, mentre gli induttori vengono utilizzati per mantenere costante la sorgente di corrente. La conduzione e lo spegnimento di questi tiristori sono controllati dai condensatori di commutazione collegati tra loro.
Si chiama inverter parallelo perché durante il funzionamento il condensatore è collegato in parallelo al carico tramite un trasformatore.
Invertitore a mezzo ponte
Un inverter a mezzo ponte richiede due interruttori elettronici per funzionare. Gli interruttori possono essere MOSFET, IJBT, BJT o tiristori.Un mezzo ponte con tiristori e interruttori BJT richiede due diodi aggiuntivi, ad eccezione dei carichi puramente resistivi, mentre i MOSFET hanno diodi integrati. In breve, due interruttori sono sufficienti per soddisfare carichi puramente resistivi, mentre altri carichi (induttori e condensatori) richiedono due diodi aggiuntivi. Questi diodi sono chiamati diodi di feedback o diodi a ruota libera.
Il principio di funzionamento di un inverter a mezzo ponte è lo stesso per tutti gli interruttori, ma qui parliamo di un mezzo ponte con interruttori a tiristori. Ci sono due tiristori complementari, il che significa condurre un tiristore alla volta. Per i carichi resistivi, il circuito funziona in due modalità. La frequenza di commutazione determinerà la frequenza di uscita. Quando la frequenza di uscita è 50 HZ, ciascun tiristore conduce una volta per 20 ms.
Invertitore a ponte intero
Un inverter a ponte intero monofase dispone di quattro interruttori controllati utilizzati per controllare la direzione del flusso di corrente nel carico. Questo ponte ha 4 diodi di feedback che possono restituire all'alimentatore l'energia immagazzinata nel carico. Questi diodi di feedback funzionano solo quando tutti i tiristori sono spenti e il carico non è un carico puramente resistivo.
Per qualsiasi carico, funzionano solo 2 tiristori alla volta. I tiristori T1 e T2 condurranno in un ciclo, mentre T3 e T4 condurranno in un altro ciclo. In altre parole, quando T1 e T2 sono nello stato ON, T3 e T4 sono nello stato OFF, mentre quando T3 e T4 sono nello stato ON, gli altri due sono nello stato OFF. L'apertura contemporanea di due o più tiristori può causare un cortocircuito, generare calore eccessivo e bruciare immediatamente il circuito.
Invertitore trifase a ponte
I carichi industriali e altri carichi pesanti richiedono un'alimentazione trifase. Per far funzionare questi carichi pesanti da dispositivi di accumulo o altre fonti di alimentazione CC, è necessario un inverter trifase. A questo scopo può essere utilizzato un inverter a ponte trifase.
Un inverter a ponte trifase è un'altra tipologia di inverter a ponte, composto da 6 interruttori controllati e 6 diodi, come mostrato in figura.
5. Classificato in base alla modalità operativa
In base alla modalità operativa, gli inverter si dividono in tre categorie principali:
Invertitore indipendente
L'inverter indipendente è collegato direttamente al carico e non verrà interrotto da altre fonti di alimentazione. Inverter indipendente o "inverter in modalità off grid", l'inverter fornisce energia al carico in modo indipendente senza essere influenzato dalla rete o da altre fonti di alimentazione.
Questi inverter sono chiamati inverter in modalità off grid perché non sono influenzati dalla rete pubblica. Questi inverter non possono essere collegati alla rete pubblica perché non hanno capacità di sincronizzazione, dove la sincronizzazione è il processo di adattamento della fase e della frequenza nominale (50/60 Hz) di due fonti di alimentazione CA.
Inverter connesso alla rete
Gli inverter connessi alla rete o connessi alla rete (GTI) hanno due funzioni principali. Una funzione degli inverter collegati alla rete è quella di fornire energia CA dai dispositivi di accumulo (fonti di alimentazione CC) ai carichi CA, mentre un'altra funzione degli inverter collegati alla rete è fornire energia aggiuntiva alla rete.
Gli inverter collegati alla rete, noti anche come inverter interattivi di rete, inverter di interconnessione alla rete o inverter con feedback di rete, sincronizzano la frequenza e la fase della corrente per adattarsi alla rete di rete. Aumentando il livello di tensione dell'inverter, la potenza viene trasmessa dalla fonte di alimentazione CC alla rete pubblica.
Invertitore a doppio picco
L'inverter a doppio picco può funzionare sia come inverter connesso alla rete che come inverter indipendente. Questi inverter possono immettere energia aggiuntiva da fonti energetiche rinnovabili e dispositivi di accumulo nella rete e recuperare elettricità dalla rete quando l’energia generata dalle energie rinnovabili è insufficiente. In altre parole, questi inverter possono funzionare come inverter indipendenti e inverter collegati alla rete in base ai requisiti del carico. Gli inverter a doppio picco sono multifunzionali, comprese le funzioni di inverter indipendenti e inverter collegati alla rete.
La funzione di un inverter a doppio picco varierà in base al carico. Se c'è un problema con la rete elettrica o quando la potenza dell'energia rinnovabile è sufficiente per soddisfare il carico, la sua funzione verrà modificata in inverter indipendente (diventa un inverter indipendente). In questo caso il commutatore disconnetterà l'inverter dalla rete.
Una volta che l’energia rinnovabile inizierà a generare energia aggiuntiva, la modalità operativa passerà dalla modalità indipendente alla modalità connessa alla rete. L'inverter sincronizza la fase e la frequenza con l'inverter e inizia a immettere ulteriore energia nella rete.
6. Classificare in base alla forma d'onda di uscita
L'inverter ideale si riferisce a un inverter che converte i segnali CC in uscite CA sinusoidali pure. Il problema con gli inverter attuali è che i loro segnali di uscita non sono puramente sinusoidali. In base alla forma d'onda in uscita, gli inverter si dividono in tre categorie:
Invertitore ad onda quadra
Questi sono gli inverter più semplici per convertire la corrente continua in corrente alternata, ma la forma d'onda in uscita non è l'onda sinusoidale pura richiesta. Questi inverter hanno onde quadre all'estremità di uscita. In altre parole, questi inverter convertono l'ingresso CC in CA sotto forma di onde quadre. Nel frattempo, anche gli inverter a onda quadra sono più economici.
La struttura più semplice di questi inverter può essere un inverter a ponte H. Come mostrato nella figura, utilizzando gli interruttori SPDT (single push double Throw) prima del trasformatore è possibile ottenere una versione più semplice. Questo trasformatore aiuterà anche a raggiungere qualsiasi livello di tensione di uscita desiderato.
Il funzionamento di un dato modello è estremamente semplice. La semplice accensione e spegnimento dell'interruttore modificherà simultaneamente la corrente sul terminale di uscita. In altre parole, la commutazione a doppia corsa unipolare alla frequenza desiderata genererà onde quadre CA all'uscita di un tipico inverter (ovvero un trasformatore con presa centrale). La distorsione armonica di un'onda sinusoidale tipica è di circa il 45%, che può essere ulteriormente ridotta utilizzando filtri per filtrare alcune armoniche.
Invertitore quasi sinusoidale
Inverter a onda quasi sinusoidale, noto anche come inverter a onda sinusoidale modificata con onde sinusoidali a gradini. In altre parole, i segnali di uscita di questi inverter aumentano gradualmente la polarità positiva. Dopo aver raggiunto il picco positivo, il segnale in uscita diminuisce gradualmente fino a raggiungere il picco negativo, come mostrato in figura.
La struttura di un inverter a onda quasi sinusoidale è molto più semplice di un inverter a onda sinusoidale pura, ma più complessa di un inverter a onda quadra pura.
Sebbene la forma d'onda di uscita finale di questi inverter non sia un'onda sinusoidale pura, la distorsione armonica dell'uscita è comunque ridotta al 24%. Il filtraggio ridurrà ulteriormente la distorsione, ma la quantità di distorsione sarà comunque significativa. Per questo motivo questi inverter non sono la scelta preferita per pilotare carichi diversi, compresi i circuiti elettronici.
Le onde quasi sinusoidali possono danneggiare in modo permanente i dispositivi elettronici con timer nel circuito. Se collegati a un inverter a onda quasi sinusoidale, tutti gli apparecchi elettrici con motore non funzioneranno in modo così efficiente come quelli collegati a un inverter a onda sinusoidale pura. Inoltre, le transizioni rapide della forma d'onda possono causare rumore. A causa di questi problemi, l’applicazione degli inverter a onda quasi sinusoidale è limitata.
Invertitore a onda sinusoidale pura
Un inverter sinusoidale puro converte la corrente continua in CA sinusoidale quasi pura. La forma d'onda di uscita di un inverter a onda sinusoidale pura non è ancora un'onda sinusoidale ideale, ma è molto più uniforme degli inverter a onda quadra e quasi sinusoidale.
La forma d'onda di uscita di un inverter a onda sinusoidale pura ha armoniche estremamente basse. Le armoniche sono onde sinusoidali con multipli dispari della frequenza fondamentale di diverse ampiezze. Le armoniche sono molto impopolari perché possono causare seri problemi a vari apparecchi elettrici. Utilizzando varie tecniche PWM e facendo passare il segnale di uscita attraverso un filtro passa-basso, queste armoniche possono essere ulteriormente ridotte.
La costruzione e il funzionamento degli inverter a onda sinusoidale pura sono molto più complessi degli inverter a onda quadra e a onda quadra modificata.
Questi inverter sono superiori ai primi due inverter perché la maggior parte delle apparecchiature elettriche richiede onde sinusoidali pure per funzionare meglio. Come accennato in precedenza, gli inverter ad onda quadra o quasi sinusoidale possono danneggiare gli elettrodomestici, soprattutto quelli dotati di motore. Pertanto, per l'uso pratico, viene utilizzato un inverter sinusoidale puro.
7. Classificato in base al numero di livelli di uscita
Il livello di uscita di qualsiasi inverter può essere almeno due o più. In base al numero di livelli di potenza, gli inverter si dividono in due categorie: inverter a due livelli e inverter multilivello.
Invertitore a due livelli
Un inverter a due livelli ha due livelli di uscita. La tensione di uscita si alterna tra positiva e negativa e si alterna alla frequenza fondamentale (50 Hz o 60 Hz).
Alcuni cosiddetti "inverter a due livelli" hanno tre livelli nella forma d'onda di uscita. Il motivo per classificare gli inverter a tre livelli in questa categoria è che uno dei livelli è a tensione zero. In realtà lo zero è il terzo livello, ma è comunque classificato come inverter a due stadi.
Un circuito inverter a due livelli è costituito da una sorgente e da alcuni interruttori che controllano la corrente o la tensione. A causa delle limitazioni relative alle perdite di commutazione e ai valori nominali dei dispositivi, il funzionamento ad alta frequenza degli inverter a due livelli nelle applicazioni ad alta tensione è limitato. Tuttavia, il valore nominale dell'interruttore può essere aumentato attraverso combinazioni in serie e in parallelo. Il gruppo di interruttori che fornisce un semiciclo positivo in un inverter a due livelli è chiamato interruttore di gruppo positivo, mentre l'altro gruppo di interruttori che fornisce un semiciclo negativo è chiamato interruttore di gruppo negativo.
Per i seguenti motivi non è preferibile un inverter a due livelli. Gli inverter richiedono il numero minimo di interruttori e fonti di alimentazione per funzionare e convertire l'energia in piccoli gradini di tensione. Un gradino di tensione più piccolo fornirà forme d'onda di alta qualità. Inoltre, può anche ridurre lo stress da tensione (dv/dt) e i problemi di compatibilità elettromagnetica sul carico. Pertanto, gli inverter multilivello sono la prima scelta più pratica.
Invertitore multilivello (MLI)
Un inverter multilivello converte i segnali CC in forme d'onda a gradini multilivello. La forma d'onda di uscita di un inverter multilivello non è direttamente alternata positiva e negativa, ma alternata multilivello. A causa del fatto che la levigatezza della forma d'onda è direttamente proporzionale al numero di livelli di tensione. Pertanto, gli inverter multilivello produrranno forme d'onda più uniformi. Come accennato in precedenza, questa caratteristica lo rende adatto ad applicazioni pratiche.
Conclusione:
Questo articolo presenta 17 tipi principali di inverter, ma in realtà esistono molte altre classificazioni di inverter. Ad esempio, gli inverter multilivello possono anche essere suddivisi in inverter con condensatori volanti (FCMI), inverter con bloccaggio a diodi (DCMI) e inverter con ponte H in cascata.
Dal punto di vista dell'applicazione pratica, gli inverter trifase sono adatti per applicazioni a carico elevato, gli inverter sinusoidali puri possono proteggere meglio gli apparecchi elettrici e gli inverter multilivello sono scelte più pratiche.