Spiegazione degli azionamenti CA a bassa tensione: come funzionano e come sceglierne uno per la propria applicazione

Attraversa quasi tutti gli impianti moderni e troverai azionamenti CA a bassa tensione che svolgono lavori silenziosi e poco affascinanti: mantenere una pompa esattamente alla pressione richiesta dal processo, far salire un trasportatore senza spezzare la cinghia o ridurre la velocità di una ventola del quindici per cento e tagliare il suo assorbimento di potenza di oltre un terzo. Costituiscono il collegamento tra un'alimentazione di rete a velocità fissa e un motore che dovrebbe funzionare effettivamente alla velocità richiesta dal lavoro.

Noi di Raynen abbiamo trascorso anni costruendo azionamenti per macchine OEM, retrofit di impianti e industria pesante. Questa guida risponde alle domande che i nostri ingegneri si sentono più spesso: cosa c'è all'interno di un convertitore di frequenza in CA a bassa tensione, come si confrontano i principali tipi, quali criteri di selezione sono importanti e da dove deriva effettivamente il rimborso.

Cosa conta come azionamento CA a bassa tensione?

La bassa tensione descrive l'alimentazione a cui si collega l'unità, non la potenza erogata. Secondo le definizioni IEC, la bassa tensione arriva fino a 1.000 V CA e gli azionamenti industriali sono costruiti per reti a 200 V, 380-480 V o 525-690 V. La classe 380-480 V è il cavallo di battaglia, coprendo la stragrande maggioranza dei motori da dimensioni di kilowatt frazionari fino a diverse centinaia di kilowatt. Gli azionamenti a media tensione subentrano a partire da circa 2,3 kV e servono macchine molto grandi.

La terminologia causa gran parte della confusione. VFD, VSD e "inverter" descrivono tutti la stessa scatola. A rigor di termini, l'inverter è solo uno stadio interno; il prodotto completo è un azionamento in CA e gli azionamenti in CA a bassa tensione sono semplicemente quelli progettati per la classe a bassa tensione.

Come funziona un azionamento CA a bassa tensione

Ogni azionamento CA a bassa tensione esegue la stessa trasformazione: prende CA a frequenza fissa e tensione fissa dalla rete e fornisce CA a frequenza e tensione variabile al motore. Tre fasi svolgono il lavoro.

1. Raddrizzatore. I ponti a diodi, o un front-end attivo sulle unità rigenerative, convertono la corrente alternata trifase in ingresso in corrente continua.
2. Bus CC. I condensatori e, sulle unità più grandi, un'induttanza CC attenuano il collegamento e immagazzinano energia per carichi transitori.
3. Invertitore. I moduli IGBT riconvertono il collegamento CC in una forma d'onda CA modulata in larghezza di impulso, la cui frequenza e tensione vengono impostate dalla scheda di controllo.

Poiché la velocità sincrona di un motore a induzione segue la frequenza di alimentazione, la variazione della frequenza modifica direttamente la velocità. La diminuzione della frequenza senza caduta della tensione saturerebbe il circuito magnetico, quindi l'azionamento mantiene il rapporto volt per hertz, o un modello di motore più avanzato, bilanciato in ogni punto operativo.

Metodi di controllo che vedrai

• Controllo V/f: semplice, tollerante e ben adattato a ventilatori, pompe e altri carichi quadratici.
• Controllo vettoriale senza sensore: risposta di coppia senza encoder per trasportatori, miscelatori ed estrusori.
• Controllo vettoriale a circuito chiuso: feedback dell'encoder per velocità e coppia precise su gru, avvolgitori e macchine utensili.

Tipi di azionamenti CA a bassa tensione

Il mercato si divide in poche famiglie pratiche. Gli azionamenti chiusi montati a parete dominano da circa 0,4 kW a 90 kW e si trovano accanto alla macchina o all'interno di un piccolo pannello. Gli azionamenti modulari e costruiti in armadio coprono potenze più elevate e consentono di configurare bus CC condivisi, unità di frenatura e filtri in base all'applicazione. I sistemi multi-drive alimentano diversi inverter da un raddrizzatore, cosa comune sulle linee tessili, di imballaggio e metalliche. Gli azionamenti rigenerativi restituiscono l'energia di frenatura all'alimentazione invece di bruciarla in un resistore.

Per la maggior parte delle attività quotidiane è sufficiente un'unità compatta montata a parete e mantiene il pannello piccolo.

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Azionamento o avviatore statico?

Entrambi i dispositivi si trovano davanti a un motore ed entrambi controllano la rampa, quindi sono spesso messi uno contro l'altro. La questione decisiva è se è necessario modificare la velocità dopo l'avvio del motore.

Se il processo non necessita mai di una velocità diversa, un soft starter è solitamente la risposta più economica. Se la velocità, la coppia o il consumo di energia devono seguire la domanda, un azionamento è l’investimento migliore.

Scegliere l'unità giusta

I valori di potenza della scheda tecnica sono un punto di partenza, non una risposta. Lavora prima sul carico.

• Corrente e sovraccarico del motore: dimensionare la corrente a pieno carico, quindi verificare se il servizio richiede un sovraccarico del 120%, 150% o 200% per un minuto o più.
• Profilo della coppia di carico: i carichi a coppia costante come trasportatori ed estrusori richiedono un azionamento maggiore rispetto ai carichi quadratici di pompe e ventole.
• Intervallo di velocità: il funzionamento a potenza costante al di sopra della velocità base richiede un indebolimento di campo e un motore idoneo per questo.
• Frenatura: decidere se è necessaria una resistenza di frenatura, un'unità di frenatura o un front-end rigenerativo.
• Ambiente: la temperatura ambiente, l'altitudine, la polvere, l'umidità e il grado di protezione IP richiesto riducono tutti la corrente di uscita utilizzabile.
• Qualità dell'alimentazione: i limiti armonici, la lunghezza del cavo e la categoria EMC determinano solitamente l'aggiunta di induttanze o filtri.
• Integrazione: protocollo bus di campo, conteggio I/O e se il convertitore deve comunicare con una piattaforma di controllo esistente.

Laddove il carico è pesante o le dinamiche sono strette, un azionamento vettoriale con un'adeguata messa a punto automatica del motore è la scelta più sicura.

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Dove gli azionamenti in c.a. a bassa tensione danno risultati

Le applicazioni si raggruppano attorno ad alcuni modelli. Nei sistemi di ventilazione e pompa l'azionamento sostituisce una valvola di strozzamento o uno smorzatore, quindi il motore produce solo il flusso necessario al processo. Sui compressori, gli azionamenti riducono le perdite di scarico e mantengono costante la pressione. Negli impianti chimici domano centrifughe e miscelatori che altrimenti urterebbero il cambio ad ogni avvio. Le linee della gomma e della plastica li utilizzano sugli estrusori a vite, mentre le apparecchiature di sollevamento e le macchine utensili si affidano a loro per l'accelerazione controllata e il posizionamento ripetibile.

I soffiatori per il trattamento dell'acqua, le pompe sommergibili e i sistemi di alimentazione a pressione costante seguono la stessa logica. Puoi vedere come sono configurati questi compiti nel nostro soluzioni applicative per ventilatori e pompe .

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Efficienza energetica, affidabilità e qualità dell'energia

Le leggi di affinità spiegano gran parte del risparmio: nei carichi centrifughi, il flusso varia con la velocità mentre la potenza dell'albero varia con il cubo della velocità. Una riduzione della velocità del 20% riduce quindi la potenza di circa la metà. Ecco perché i progetti di retrofit su ventilatori e pompe di solito ripagano l'azionamento entro uno o tre anni.

L'affidabilità deriva dalla protezione e da una buona installazione. I moderni azionamenti monitorano la corrente di uscita, la tensione del bus CC, la temperatura del dissipatore di calore e la dispersione a terra e limitano la coppia anziché intervenire ogni volta che il processo lo consente. Le armoniche e la compatibilità elettromagnetica necessitano ancora di attenzione: le induttanze CC o CA riducono la distorsione di corrente, il cavo motore schermato e il controllo di messa a terra correggono il rumore di modo comune, mentre i limiti di lunghezza del cavo proteggono l'isolamento del motore da fronti di commutazione rapidi.

Messa in servizio, documentazione e supporto

Una buona messa in servizio è principalmente preparazione. Immettere innanzitutto i dati di targa del motore, eseguire l'autotuning, quindi impostare le rampe di accelerazione e decelerazione attorno all'inerzia reale prima che il convertitore veda un carico. Collegare la schermatura del cavo motore a entrambe le estremità, tenere il cablaggio di controllo lontano dal cablaggio di alimentazione e registrare il set di parametri finale in modo da poter caricare rapidamente un'unità sostitutiva.

La manutenzione rimane semplice quando pianificata: pulire il dissipatore di calore e la ventola di raffreddamento, controllare i condensatori del bus CC dopo un lungo servizio, verificare la coppia dei terminali ogni anno e utilizzare la termografia per individuare tempestivamente i collegamenti allentati. Il nostro manuali utente e download portare con sé gli elenchi dei parametri, gli schemi elettrici e i documenti firmware necessari per entrambe le attività.

Domande frequenti

Un convertitore di frequenza in CA a bassa tensione può mantenere un motore a velocità zero?

Sì, può mantenere fermo un albero producendo coppia, ma il motore deve essere dimensionato per il servizio continuo a bassa velocità. I motori autoraffreddati standard perdono il flusso d'aria di raffreddamento quando la velocità diminuisce, quindi pianificare un motore ventilato separatamente se il ciclo di mantenimento è lungo.

Quanto lontano può estendersi il cavo motore dal convertitore?

Come regola generale, fino a circa 30-50 m non schermati o 20-30 m schermati. Percorrenze più lunghe richiedono un filtro du/dt o una reattanza di uscita per proteggere l'avvolgimento del motore da fronti di commutazione ripidi.

Ho sempre bisogno di una resistenza di frenatura?

No. È necessario solo quando il carico rigenera energia più velocemente di quanto l'azionamento possa assorbirla, ad esempio quando si arresta rapidamente una ventola ad alta inerzia o si abbassa un paranco. Le rampe di discesa lente e i carichi a bassa inerzia spesso non necessitano di nulla in più.

Gli azionamenti CA a bassa tensione premiano l'attenta corrispondenza più di ogni singola specifica. Scegliendo il profilo di coppia, i requisiti di sovraccarico e l'ambiente corretti, la trasmissione diventerà una parte della macchina esente da manutenzione anziché un problema ricorrente.

Se desideri una seconda opinione su un'applicazione, dalla curva di una pompa a un retrofit, i nostri ingegneri saranno felici di aiutarti a dimensionarla, configurarla e mantenerla in funzione per anni.