L’inverter, chiamato anche convertitore di frequenza o convertitore, è uno dei componenti più importanti dei sistemi di azionamento nell’automazione industriale. Consente la regolazione continua della velocità di un motore elettrico, migliora l’efficienza energetica delle macchine e protegge i sistemi meccanici dai sovraccarichi. In questo articolo parleremo in dettaglio del funzionamento di un inverter, della sua progettazione e di come funziona in pratica il processo di controllo della tensione e della frequenza. Il testo è stato preparato per ingegneri, tecnici della manutenzione e addetti alla riparazione degli inverter negli impianti industriali.
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ContattaciCome funziona l’inverter?
Per capire cos’è e come funziona un inverter, è importante analizzare il suo ruolo nell’intero sistema di trasmissione. Un inverter controlla un motore elettrico, convertendo l’energia elettrica per produrre la velocità, la coppia e il senso di rotazione desiderati. Viene alimentato con corrente alternata (AC), che poi converte in corrente continua (DC) e poi di nuovo in AC, ma con una frequenza e una tensione regolate.
Fasi di conversione dell’energia in un inverter
- Raddrizzatore – il primo stadio di conversione. Converte la tensione alternata proveniente dalla rete elettrica (ad esempio 400 V AC) in corrente continua (DC). I progetti più semplici utilizzano diodi, mentre quelli più avanzati utilizzano tiristori per controllare la direzione e il valore della corrente.
- Circuito intermedio – accumulo di energia. È composto da condensatori elettrolitici che attenuano la tensione e riducono l’ondulazione. In molti modelli sono presenti anche delle induttanze per eliminare le interferenze elettromagnetiche e migliorare la qualità dell’alimentazione.
- L’inverter vero e proprio (convertitore di frequenza): è il punto in cui la tensione continua viene riconvertita in tensione alternata, ma a una frequenza che corrisponde ai parametri operativi del motore. Questo processo avviene grazie al funzionamento dei transistor IGBT, che si aprono e si chiudono a una frequenza di decine di migliaia di volte al secondo.
Utilizzando la tecnologia PWM (Pulse Width Modulation), l’inverter genera una tensione con larghezza d’impulso variabile che modella indirettamente la forma d’onda sinusoidale. In questo modo la tensione e la frequenza possono essere adattate con estrema precisione ai requisiti del motore, riducendo al minimo le perdite e aumentandone la durata.
Il ruolo del sistema di controllo nell’inverter
Il cuore dell’inverter è il sistema di controllo. È responsabile dell’elaborazione dei segnali di ingresso, dell’analisi dei dati di misura e del controllo del modulo di potenza. I moderni sistemi di controllo utilizzano microcontrollori o processori DSP (Digital Signal Processor) che analizzano i parametri operativi in tempo reale e regolano automaticamente la frequenza e la tensione di uscita.
A seconda del tipo di algoritmo utilizzato, gli inverter possono funzionare in modalità:
- U/f (V/f) – un metodo di controllo di base in cui la tensione è proporzionale alla frequenza. Funziona bene per azionamenti semplici.
- Controllo vettoriale – più avanzato, permette di controllare la coppia e la velocità in modo indipendente.
- DTC (Direct Torque Control) – utilizzato, tra gli altri, negli inverter ABB, consente una risposta istantanea alle variazioni di carico e una precisione di coppia molto elevata.
Inverter contro inverter: differenze di applicazione
Nel linguaggio tecnico, i termini inverter e convertitore sono talvolta utilizzati in modo intercambiabile. In pratica, però, c’è una differenza: l’inverter si riferisce principalmente ai dispositivi che controllano i motori nell’automazione industriale, mentre il termine inverter è più comunemente usato nel contesto dei convertitori utilizzati nelle energie rinnovabili, ad esempio negli impianti fotovoltaici (PV). Nonostante le differenze nelle applicazioni, il principio di funzionamento di entrambi i dispositivi è molto simile: entrambi prevedono la conversione della tensione continua in alternata con parametri regolabili.
Struttura dell’inverter – descrizione dettagliata dei componenti
Il progetto dell’inverter si basa su diversi blocchi funzionali logicamente interconnessi, che insieme consentono la conversione dell’energia e il controllo del motore. Segue una descrizione dettagliata dei componenti più importanti.
1. raddrizzatore
Il raddrizzatore è il primo componente del circuito di alimentazione. Il suo compito principale è quello di convertire la tensione alternata di rete in tensione continua. Gli inverter di nuova generazione utilizzano spesso i cosiddetti raddrizzatori attivi che consentono di recuperare l’energia, ossia di restituire alla rete l’energia in eccesso. Questa soluzione aumenta l’efficienza dell’intero sistema e riduce il consumo energetico.
2. circuito intermedio
Il circuito intermedio è la sezione responsabile della stabilizzazione della tensione. È composto da condensatori, induttanze e sensori che monitorano la tensione, la corrente e la temperatura. I condensatori di questa sezione sono soggetti a un processo di invecchiamento naturale, per cui si raccomanda un’ispezione regolare, soprattutto nei dispositivi che operano ad alte temperature.
3. modulo di potenza – transistor IGBT
Il componente più dinamico dell’inverter è il modulo di potenza, dove operano i transistor IGBT. La loro funzione è quella di commutare rapidamente la corrente nel circuito, creando così una forma d’onda di tensione alla frequenza desiderata. I transistor IGBT combinano i vantaggi dei MOSFET e dei transistor bipolari: sono efficienti, veloci e resistenti al sovraccarico. Tuttavia, il loro malfunzionamento è una delle cause più comuni di guasto dell’inverter, quindi richiedono un raffreddamento efficace e una manutenzione regolare.
4 Sistema di controllo
Il sistema di controllo è responsabile della gestione dell’intero processo di conversione dell’energia. Invia segnali al modulo di potenza, analizza i dati dei sensori e controlla la sicurezza operativa. Nei moderni inverter, il sistema di controllo viene programmato tramite un’interfaccia di comunicazione come Modbus, Profibus, EtherCAT o CANopen. In questo modo è possibile integrare gli inverter in sistemi SCADA o PLC.
5. pannello operatore e comunicazioni
La maggior parte degli inverter è dotata di un pannello operatore per la configurazione e la diagnostica. Il display HMI (Human Machine Interface) consente di impostare i parametri, leggere gli errori e visualizzare il funzionamento dell’inverter. Anche la comunicazione remota – via Ethernet o Wi-Fi – sta diventando sempre più comune nelle applicazioni industriali, consentendo l’assistenza remota degli inverter e il monitoraggio continuo del loro stato.
6 Sistemi di sicurezza
Ogni inverter ha una serie di protezioni integrate per proteggere l’unità e il motore da eventuali danni. Le funzioni tipiche includono il monitoraggio della temperatura del dissipatore, il rilevamento dei cortocircuiti, la protezione da sovracorrente, sovratensione e perdita di fase. In caso di guasto, il sistema genera un codice di errore che può essere letto sul pannello o tramite l’interfaccia di comunicazione: il primo passo per la diagnosi e la riparazione dell’inverter.
Che tensione e frequenza genera l’inverter?
L‘inverter genera una tensione alternata che dipende dalla tensione continua del circuito intermedio, in genere circa 560 V CC per una rete di 400 V CA. La frequenza di uscita può essere regolata in un ampio intervallo, da pochi hertz fino a 1.000 Hz in applicazioni speciali. Questo rende l’azionamento adattabile praticamente a qualsiasi tipo di motore, dagli asincroni standard ai moderni servomotori.
Consigli pratici sugli inverter per tecnici e ingegneri dell’assistenza
- Quando lavori con un inverter, aspetta sempre qualche minuto dopo aver scollegato l’alimentazione: i condensatori del circuito intermedio possono mantenere alta la tensione.
- Quando ripari gli inverter, controlla le condizioni delle saldature sui moduli di potenza: le microfratture sono una causa comune di guasto.
- Pulisci regolarmente il sistema di raffreddamento: i dissipatori di calore sporchi causano il surriscaldamento degli IGBT e ne riducono la durata.
- Controlla i sensori di velocità e di corrente: le loro letture errate possono causare il malfunzionamento del sistema di controllo.
- Usa gli analizzatori di rete per rilevare le armoniche: un’alimentazione esterna non corretta può causare un guasto al raddrizzatore.
Le marche di inverter più diffuse e le loro applicazioni
Esistono numerosi produttori di inverter affermati nel mercato dell’automazione industriale. Ecco alcuni di essi che RGB Electronics assiste e ripara:
- Inverter Danfoss – affidabile nelle applicazioni HVAC e nei sistemi di pompaggio. I modelli della serie VLT sono caratterizzati da un’elevata efficienza e da un’ampia gamma di comunicazioni.
- Inverter SEW Eurodrive – utilizzato in linee di trasporto, nastri trasportatori e sistemi di stoccaggio. È caratterizzato da una struttura robusta e da una lunga durata.
- Inverter ABB – noto per i suoi algoritmi di controllo avanzati (DTC), spesso utilizzati in sistemi di precisione e ad alta efficienza energetica.
- Inverter KEB – ampiamente utilizzato in ascensori, gru e automazione degli edifici, apprezzato per la sua stabilità e il suo design compatto.
Gli inverter sono diventati la pietra miliare della moderna automazione industriale. Se scelti e sottoposti a manutenzione in modo adeguato, garantiscono un funzionamento affidabile ed efficiente dal punto di vista energetico di macchine e impianti. La conoscenza del funzionamento e della progettazione degli inverter è la chiave per una diagnosi, una manutenzione e una riparazione efficaci dei sistemi di azionamento in qualsiasi impianto industriale.
Noi di RGB Electronics assistiamo gli inverter di tutti i marchi più diffusi, da Danfoss e SEW Eurodrive ad ABB, KEB e altri ancora. Disponiamo di strutture tecniche specializzate, banchi di prova e un team di ingegneri che ogni giorno diagnosticano, ricondizionano e ripristinano centinaia di dispositivi di automazione industriale.
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