Guida completa agli azionamenti CA a bassa tensione: selezione, applicazioni e suggerimenti per l'acquisto

Quando è necessario controllare la velocità di un motore CA in un processo industriale, l'azionamento CA a bassa tensione è solitamente la prima apparecchiatura da considerare. Non è un componente monouso: la stessa trasmissione che riduce il consumo di energia su una pompa può anche fornire un controllo preciso della coppia su un nastro trasportatore o un'accelerazione morbida su una gru. La chiave è capire come l'azionamento interagisce con il carico specifico, la rete di alimentazione e il resto del sistema di controllo. Una volta chiariti questi tre punti, la maggior parte delle decisioni di selezione diventano semplici.

Cosa fa effettivamente un convertitore di frequenza CA a bassa tensione

A azionamento CA a bassa tensione converte un'alimentazione di rete a tensione fissa e frequenza fissa in un'uscita a tensione variabile e frequenza variabile che alimenta un motore CA. Modificando la frequenza di uscita, l'azionamento controlla la velocità del motore; regolando di conseguenza la tensione, mantiene la capacità di coppia del motore nell'intero intervallo di velocità. In pratica, ciò significa che il motore gira esattamente alla velocità richiesta dal processo, invece di funzionare a velocità costante e sprecare energia attraverso valvole, smorzatori, ingranaggi o freni.

L'ambito della "bassa tensione" in questo contesto è importante. Il definizione di un azionamento a frequenza variabile a bassa tensione in genere copre apparecchiature alimentate da alimentatori CA da 380 V a 690 V, che rappresenta la gamma standard per la maggior parte dei macchinari industriali, pompe, ventilatori, trasportatori e macchine utensili. Se il motore ha una potenza nominale superiore a 1 kV, normalmente dovresti considerare gli azionamenti a media tensione.

Forse il modo più chiaro per giudicare un'unità è da ciò che fa in fabbrica piuttosto che dal suo diagramma a blocchi. All'interno dell'involucro è presente un raddrizzatore che converte la corrente alternata in corrente continua, un bus CC che immagazzina e attenua l'energia e un inverter che commuta la corrente continua in corrente alternata alla frequenza e alla tensione richieste dall'applicazione. Quell’architettura è rimasta costante per decenni. Ciò che è cambiato è la qualità degli algoritmi di controllo, l'affidabilità dei dispositivi di potenza e la facilità con cui l'azionamento comunica con un PLC, un HMI o una piattaforma cloud.

Perché l'industria utilizza gli azionamenti CA a bassa tensione

I motivi principali per installare un convertitore di frequenza in CA a bassa tensione sono tre: risparmio energetico, controllo del processo e riduzione dello stress meccanico. Possono apparire separatamente o insieme e la ponderazione tra di essi cambia a seconda del settore e dell'applicazione.

Risparmio energetico su pompe e ventilatori

Le pompe e i ventilatori centrifughi seguono le leggi di affinità. Dimezzare la velocità non dimezza la potenza richiesta; lo riduce a circa un ottavo. Un azionamento rende pratici questi cambiamenti di velocità lasciando che il motore funzioni al di sotto della velocità nominale senza surriscaldarsi o perdere il controllo della coppia. Questo è il motivo per cui la maggior parte dei progetti di retrofit per il risparmio energetico nell'approvvigionamento idrico, HVAC, nel trattamento delle acque reflue e nei sistemi di caldaie sono costruiti attorno a un azionamento a bassa tensione anziché a una strozzatura meccanica.

Controllo preciso della velocità e della coppia

Applicazioni quali avvolgitori, estrusori, ascensori e gru richiedono un controllo accurato della coppia in un ampio intervallo di velocità. I moderni azionamenti a bassa tensione utilizzano algoritmi di controllo vettoriale o di controllo diretto della coppia per raggiungere questo obiettivo. L'azionamento stima continuamente il flusso magnetico del motore, lo confronta con la coppia richiesta e regola la tensione e la frequenza di uscita molte centinaia di volte al secondo. Il risultato è una movimentazione fluida dei materiali, un posizionamento ripetibile e un funzionamento stabile anche quando il carico cambia bruscamente.

Stress meccanico ridotto

L'avviamento diretto di un motore a induzione produce un'elevata corrente di spunto e un improvviso picco di coppia. Con il passare del tempo, lo shock meccanico danneggia i giunti, i riduttori, le cinghie e gli stessi avvolgimenti del motore. Un azionamento fa salire il motore dall'arresto alla velocità target in un tempo di accelerazione controllato. Un trasportatore può essere avviato dolcemente, una gru può sollevarsi senza oscillare e un ventilatore ad alta inerzia può accelerare lentamente senza sollecitare l'albero. Gli intervalli di manutenzione tendono a migliorare e i guasti non pianificati diventano meno frequenti.

Abbinamento dell'unità all'applicazione

Selezionare un convertitore di frequenza in CA a bassa tensione non significa solo far corrispondere la tensione di targa del motore e la potenza nominale, sebbene questo rimanga il punto di partenza necessario. È inoltre necessario considerare le caratteristiche di sovraccarico, il metodo di controllo, le condizioni ambientali e i requisiti di comunicazione. La tabella seguente riassume i principali punti di corrispondenza che spesso causano confusione nella pratica.

Cosa significa in pratica "servizi pesanti" o "servizi leggeri".

I produttori di azionamenti normalmente specificano una corrente di uscita continua e una corrente di sovraccarico che può essere mantenuta per 60 secondi. Una classificazione per servizio leggero può consentire solo un sovraccarico del 110%, mentre una classificazione per servizio pesante può fornire il 150% per la stessa durata. Per applicazioni come un frantoio o una centrifuga che richiedono periodicamente una coppia elevata, la classificazione per servizio pesante è quella da confrontare con la capacità del motore. Per una ventola o una pompa che funziona costantemente al di sotto della potenza nominale del motore, la potenza nominale è spesso sufficiente e produce un azionamento più piccolo ed economico.

Metodi di controllo della velocità all'interno dell'azionamento

Due metodi di controllo dominano oggi la scelta degli azionamenti a bassa tensione: controllo V/F (volt per hertz) e controllo vettoriale. Entrambi hanno posti legittimi, ma la distinzione non è sempre spiegata chiaramente.

Il controllo V/F mantiene costante il rapporto tensione-frequenza. È semplice, tollerante e adeguato per ventilatori, pompe e trasportatori generici in cui il motore non necessita di coppia elevata a velocità molto bassa. Lo svantaggio è che la velocità effettiva del motore è influenzata dal carico; quando il carico aumenta, lo slittamento aumenta e la velocità diminuisce.

Il controllo vettoriale, chiamato anche controllo ad orientamento di campo, modella il campo magnetico del motore e separa la corrente di magnetizzazione dalla corrente di produzione della coppia. Consente un controllo accurato della coppia anche a velocità zero e mantiene saldamente la velocità in caso di sbalzi di carico improvvisi. Il prezzo corrisponde a un processo di messa in servizio più complesso, che solitamente richiede i dati del motore o una routine di messa a punto automatica. Per applicazioni come ascensori o avvolgitori che operano su un ampio intervallo di velocità, lo sforzo extra normalmente vale la pena.

Guida pratica per acquirenti e quadristi

Se si integrano azionamenti CA a bassa tensione in una macchina o in un processo industriale, alcune abitudini pratiche riducono il rischio di problemi sul campo.

La corrente è la verità

Ogni motore riporta sulla targhetta una corrente a pieno carico e tale corrente, non la potenza o il kilowatt, determina la potenza nominale del convertitore. Un motore con un fattore di potenza basso può assorbire più corrente di quanto suggerisca la sola potenza nominale. Controllare la targhetta e scegliere un convertitore la cui corrente di uscita nominale copra tale valore con un certo margine.

Controllare il ciclo di avvio e arresto

Le applicazioni con avviamenti e arresti frequenti generano ripetuti spunto e energia di frenata. Se il carico si arresta e si riavvia molte volte all'ora, la progettazione termica dell'unità diventa più importante della sua potenza nominale in regime stazionario. Per i carichi che rigenerano energia, come le gru che abbassano un carico o le macchine avvolgitrici, è spesso necessario aggiungere un resistore di frenatura o utilizzare un'unità di azionamento rigenerativa per evitare che la tensione del bus CC salga troppo.

Pensa alle armoniche e alla qualità della fornitura fin dall'inizio

Un convertitore assorbe una corrente non sinusoidale dall'alimentazione a causa del front-end del raddrizzatore. Tale distorsione di corrente può influenzare altre apparecchiature sulla stessa rete e potrebbe dover essere conforme agli standard armonici. Per installazioni di convertitori di taglia superiore a una certa dimensione, l'aggiunta di un'induttanza sul collegamento CC o di una reattanza di linea CA rappresenta una misura di mitigazione semplice ed efficace. La scelta di un convertitore che include già un'induttanza incorporata consente di risparmiare spazio e costi di installazione.

Utilizza le risorse scaricabili prima di finalizzare il layout del pannello

I manuali e i disegni degli azionamenti contengono le tabelle di declassamento, le distanze di montaggio e gli schemi elettrici a cui riconduce la maggior parte dei problemi sul campo. Accedendo al libreria di download del manuale utente prima di completare la progettazione del pannello consente di evitare problemi relativi alla dissipazione del calore, alla spaziatura dei pressacavi e al filtraggio EMC. Lo sforzo è minimo rispetto al costo di rielaborazione di un pannello completato.

Un esempio compatto di una moderna famiglia di azionamenti a bassa tensione

Per illustrare come questi principi si fondono in una gamma di prodotti, si consideri la famiglia di convertitori di frequenza CA a bassa tensione offerta da Gamma di azionamenti a frequenza variabile a bassa tensione di Raynen . La famiglia comprende modelli semplici ed economici per ventilatori e pompe, azionamenti vettoriali ad alte prestazioni per macchine utensili e gru e azionamenti per pompe solari per sistemi di approvvigionamento idrico off-grid.

Convertitore CA intelligente a bassa tensione RVE21 per carichi generici Un convertitore di controllo V/F compatto ed economico con ampio intervallo di tensione, capacità di sovraccarico del 200% e installazione affiancata per layout di pannelli salvaspazio. Visualizza il prodotto →

L'azionamento RVE21 Smart è rivolto ai quadristi e ai costruttori di macchine che necessitano di un azionamento compatto ed economico con un controllo V/F affidabile. È in grado di gestire carichi generici in cui la coppia precisa a bassa velocità non è il requisito principale e il suo ingombro ridotto semplifica la disposizione dell'armadio. Per le applicazioni che richiedono una risposta dinamica più elevata, l'azionamento vettoriale RVE32 fornisce il controllo della coppia e della velocità ad anello chiuso su una gamma più ampia, coprendo usi come Macchine utensili CNC , miscelatori e centrifughe industriali.

Convertitore di frequenza vettoriale RVE32 con controllo ad anello chiuso Offre controllo vettoriale sensorless, adattamento automatico dei parametri del loop e comunicazione Modbus, adatto per applicazioni a risposta dinamica elevata come macchine utensili e centrifughe. Visualizza il prodotto →

Dal punto di vista degli acquisti, il punto importante è che la famiglia di prodotti sia progettata attorno alla stessa struttura di servizio e supporto. La stessa libreria di manuali utente, lo stesso strumento software e lo stesso canale di supporto tecnico si applicano a tutta la gamma, quindi passare da un semplice azionamento della ventola a un azionamento vettoriale a prestazioni più elevate in un secondo momento non significa apprendere un sistema completamente nuovo.

Scenari applicativi che determinano la selezione

Settori diversi impongono richieste diverse. Osservare gli schemi di installazione reali è più utile che memorizzare una regola di selezione generica. I seguenti esempi illustrano come cambia la scelta dell'azionamento con il profilo di carico.

Carichi a coppia costante: trasportatori e miscelatori

I trasportatori e i miscelatori richiedono la stessa coppia su gran parte della gamma di velocità. L'assorbimento di corrente è relativamente costante e l'azionamento deve essere in grado di fornire una coppia prossima a quella nominale anche quando il motore funziona al di sotto del 50% della velocità di base. Un motore direttamente accoppiato a tale carico può surriscaldarsi se utilizzato al di sotto della metà della velocità senza raffreddamento separato; la scelta dell'azionamento deve tenere conto della gamma di velocità dell'applicazione e non solo della targa del motore.

Carichi a coppia variabile: pompe centrifughe e ventilatori

Per le ventole e le pompe centrifughe, la coppia diminuisce al diminuire della velocità, quindi il motore funziona con un carico leggero su gran parte della gamma di velocità. Ecco perché queste applicazioni sono i candidati più sicuri per il risparmio energetico. Un convertitore dimensionato per la corrente a pieno carico del motore garantisce comunque comfort, ma il carico termico effettivo sul convertitore è spesso molto al di sotto del suo limite. Molte installazioni nel settore dell'approvvigionamento idrico e HVAC utilizzano un azionamento più piccolo con capacità di sovraccarico leggero e garantiscono un'eccellente durata di servizio.

Carichi ad alta inerzia: ventilatori e centrifughe

Una ventola di grande diametro ha un'inerzia elevata. L'avvio di un carico di questo tipo direttamente attraverso la linea può causare lo slittamento della cinghia, la torsione dell'albero o un eccessivo assorbimento di corrente per lungo tempo. L'azionamento risolve questo problema limitando la velocità di accelerazione e consentendo al motore di sviluppare gradualmente la coppia. Durante la decelerazione, l'inerzia restituisce energia al bus CC, motivo per cui spesso viene specificata una resistenza di frenatura per soffianti e centrifughe che necessitano di tempi di arresto brevi.

Carichi d'urto ripetuti: Frantoi

I carichi pesanti di schiacciamento presentano frequenti picchi di coppia. Un convertitore utilizzato in questo caso deve essere selezionato in modo conservativo, con una corrente nominale per impieghi gravosi, un raffreddamento robusto e funzioni di protezione in grado di sopportare brevi sovraccarichi senza inciampare. La capacità di regolare con precisione i limiti di coppia protegge inoltre il sistema meccanico dai danni quando il rotore incontra un'ostruzione imprevista.

Efficienza, risparmio energetico e ritorno sull'investimento

Il vantaggio finanziario per un azionamento in CA a bassa tensione deriva solitamente dal ridotto consumo di energia. L'esatto rimborso dipende dal profilo di velocità e dalle ore di funzionamento. Una pompa che funziona per 6.000 ore all'anno a una velocità media dell'80% può ottenere risparmi sostanziali rispetto alla stessa pompa che funziona a piena velocità e strozzata da una valvola di controllo. L'investimento nell'azionamento in questo scenario viene normalmente recuperato entro uno o due anni, prima di considerare i vantaggi di un avviamento più graduale e una manutenzione ridotta.

Tuttavia, il risparmio energetico non equivale all’efficienza della macchina. Se il processo richiede davvero sempre la massima velocità, un'unità potrebbe non risparmiare energia in modo significativo. In questi casi, il valore dell'azionamento risiede nell'avvio controllato, nella protezione e nell'integrazione con un sistema di automazione più ampio. Avere chiaro l'obiettivo primario evita di acquistare hardware che non si ripaga da solo.

Scegliere il giusto partner a lungo termine

Al di là delle caratteristiche del singolo azionamento, nell’automazione industriale il fornitore conta molto. Un azionamento facile da mettere in servizio, dotato di documentazione chiara e supportato da un supporto locale reattivo farà risparmiare ore al tuo team ogni volta che viene commissionata una nuova macchina.

Quando valuti un fornitore, controlla se fornisce la documentazione completa per la sua gamma. Manuali utente, disegni CAD e strumenti software con controllo della versione contribuiscono tutti a un processo di progettazione più fluido. La disponibilità di processi di produzione e controllo qualità interni è un altro segnale di affidabilità a lungo termine. È importante anche se il fornitore può coprire categorie adiacenti di apparecchiature di automazione, come PLC, HMI, servosistemi e soft starter. Un fornitore con un ampio portafoglio consente di mantenere coerente l'architettura di controllo, ridurre il rischio di integrazione ed evitare la necessità di più fornitori separati.

Se siete nella fase di confronto degli azionamenti per una macchina specifica, raccogliere in anticipo la documentazione tecnica pertinente vi aiuterà a valutare le differenze pratiche. I produttori più rinomati pubblicano manuali dettagliati e guide applicative; rivedere tali documenti prima di prendere un impegno è una buona abitudine.