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LEGGI DI PIÙUn avviatore statico a bassa tensione è un dispositivo elettronico di controllo del motore che aumenta gradualmente la tensione fornita a un motore a induzione CA durante l'avvio, invece di applicare istantaneamente la tensione di linea completa come fa un avviatore diretto in linea (DOL) convenzionale. Controllando la velocità con cui la tensione aumenta da zero alla tensione di alimentazione completa, l'avviatore statico limita la corrente di spunto e lo shock meccanico che si verificano durante l'avvio del motore, proteggendo sia il motore che il carico meccanico collegato dalle sollecitazioni associate all'energizzazione improvvisa a piena tensione.
Quando un motore a induzione standard viene avviato attraverso la linea senza alcun dispositivo di limitazione della corrente, assorbe una corrente di spunto tipicamente da 6 a 8 volte la sua corrente nominale a pieno carico per diversi secondi fino a raggiungere la velocità operativa. Nei motori di grandi dimensioni, questo picco può essere 10 volte superiore alla corrente a pieno carico. Questo aumento sollecita gli avvolgimenti del motore attraverso il riscaldamento resistivo, crea intensi shock di coppia su giunti di alberi, scatole del cambio, cinghie e apparecchiature azionate e provoca cali di tensione sulla rete di alimentazione che possono influenzare altri carichi collegati e apparecchiature sensibili che condividono la stessa infrastruttura elettrica.
A avviatore statico a bassa tensione risolve tutti questi problemi in un unico dispositivo compatto. Utilizzando una serie di tiristori back-to-back (raddrizzatori controllati al silicio o SCR) collegati in ciascuna fase, aumenta progressivamente l'angolo di accensione dei tiristori durante la sequenza di avvio, aumentando la tensione RMS fornita al motore con una rampa controllata. Il risultato è un'accelerazione regolare e regolabile che limita la corrente di spunto a un multiplo selezionabile della corrente a pieno carico, riduce lo shock meccanico quasi a zero ed elimina i disturbi di tensione sulla rete di alimentazione, prolungando la vita del motore, proteggendo le apparecchiature azionate e riducendo contemporaneamente i costi della domanda di elettricità.
Il principio di funzionamento principale di un avviatore statico CA si basa sul controllo dell'angolo di fase dei tiristori per regolare la forma d'onda della tensione fornita al motore. In un avviatore statico trifase standard, tre coppie di tiristori back-to-back sono collegate in serie a ciascuna delle tre fasi di alimentazione. Ciascuna coppia di tiristori controlla un semiciclo della forma d'onda CA nella rispettiva fase: un tiristore conduce il semiciclo positivo e l'altro conduce il semiciclo negativo.
Durante la rampa di avvio, l'elettronica di controllo dell'avviatore statico attiva progressivamente i tiristori in ogni semiciclo, un parametro chiamato angolo di accensione o angolo di conduzione. All'inizio della rampa, l'angolo di accensione è ampio (i tiristori si attivano alla fine del ciclo), il che significa che viene condotta solo una piccola porzione di ciascun semiciclo e la tensione RMS effettiva che raggiunge il motore è bassa. Man mano che la rampa avanza, l'angolo di accensione diminuisce (i tiristori si attivano progressivamente prima), conducendo una quantità maggiore di ciascun semiciclo e aumentando la tensione effettiva fornita al motore. Alla fine della rampa di avvio, i tiristori vengono attivati nel momento più precoce possibile in ogni semiciclo, fornendo quasi tutta la tensione di alimentazione al motore.
Una volta che il motore ha raggiunto la massima velocità, la maggior parte dei moderni avviatori statici a bassa tensione chiudono un contattore di bypass interno o esterno che collega il motore direttamente alla linea di alimentazione, bypassando completamente i tiristori. Questa è una caratteristica importante perché i tiristori generano calore durante la conduzione: far funzionare il motore continuamente attraverso i tiristori anziché bypassarli richiederebbe un notevole dissipamento di calore e ridurrebbe la durata dell'avviatore statico. Il contattore di bypass elimina questo problema, consentendo all'avviatore statico di gestire solo le sequenze di avvio e arresto mentre il motore funziona a piena efficienza con alimentazione di linea diretta durante il funzionamento a regime.
Una delle domande più frequenti nell'ingegneria del controllo motore è quando utilizzare un avviatore statico rispetto a un avviatore diretto rispetto a un convertitore di frequenza. Ogni dispositivo ha una serie distinta di capacità e limitazioni e selezionare quello sbagliato per un'applicazione porta a un eccesso di ingegneria e costi inutili oppure a specifiche insufficienti e problemi operativi.
Un avviatore DOL collega il motore direttamente alla tensione di alimentazione quando energizzato, senza limitazione di corrente. È il metodo di avviamento del motore più semplice, economico e affidabile, ma anche il più distruttivo. L'avviamento DOL è appropriato per motori di piccole dimensioni (in genere inferiori a 5–7,5 kW a seconda della capacità di alimentazione), applicazioni in cui il carico collegato può tollerare shock di coppia completa all'avvio e sistemi in cui l'alimentazione elettrica è sufficientemente robusta da assorbire la corrente di spunto senza un calo significativo di tensione. Per i motori più grandi o le applicazioni sensibili, l'avviamento diretto non è generalmente accettabile né dal punto di vista della rete di alimentazione né della durata meccanica.
Un soft starter a bassa tensione è la scelta giusta quando il requisito principale è limitare la corrente di spunto e gli shock meccanici durante l'avvio e l'arresto del motore, ma non è necessario il controllo della velocità variabile durante il funzionamento normale. È significativamente meno costoso di un VFD di potenza equivalente, genera meno calore, ha un impatto inferiore sulla distorsione armonica sulla rete di alimentazione durante il funzionamento a regime (perché il contattore di bypass è chiuso) ed è più semplice da configurare e mettere in servizio. Gli avviatori statici sono ideali per pompe, compressori, ventilatori, trasportatori e qualsiasi applicazione in cui il motore funziona a una velocità fissa ma richiede avviamenti e arresti controllati.
Un convertitore di frequenza fornisce il controllo completo della velocità in tutto l'intervallo operativo del motore, da zero a oltre la velocità base, convertendo l'alimentazione CA in ingresso in CC e quindi sintetizzando un'uscita CA a tensione e frequenza variabile. I VFD forniscono intrinsecamente un avviamento graduale (spesso migliore di un avviatore statico) e consentono anche la regolazione continua della velocità durante il funzionamento, il che consente importanti risparmi energetici in carichi a coppia variabile come pompe e ventilatori attraverso le leggi di affinità. Tuttavia, i VFD sono più costosi, generano una significativa distorsione armonica sulla rete di alimentazione, producono più calore e sono più complessi da dimensionare, installare e manutenere. La scelta tra un avviatore statico e un VFD dipende dalla necessità o meno del controllo della velocità variabile durante il funzionamento: in tal caso, è necessario un VFD; in caso contrario, un soft starter è la soluzione più semplice ed economica.
| Caratteristica | Avviatore DOL | Avviatore graduale a bassa tensione | VFD |
| Limitazione della corrente di spunto | Nessuno | Sì (regolabile) | Sì (eccellente) |
| Velocità variabile durante la corsa | No | No | Sì (gamma completa) |
| Shock meccanico all'avvio | Alto | Basso | Molto basso |
| Distorsione armonica (in corsa) | Nessuno | Nessuno (bypass closed) | Significativo |
| Costo relativo | Basso | Medio | Alto |
| Risparmio energetico durante la corsa | Nessuno | Minimo | Significativo (variable loads) |
| Complessità di installazione | Semplice | Moderato | Complesso |
Per selezionare correttamente un soft starter a bassa tensione è necessario valutare una serie di parametri tecnici rispetto ai requisiti specifici del motore e dell'applicazione. Il sottodimensionamento porta al sovraccarico termico dei tiristori durante le sequenze di avviamento; il sovradimensionamento spreca capitale e spazio nell’armadio. L'elaborazione sistematica dei seguenti criteri garantisce di specificare un dispositivo che funzioni in modo affidabile per tutta la sua durata di servizio.
Il parametro di dimensionamento fondamentale per qualsiasi avviatore statico è la corrente a pieno carico (FLC) del motore che controllerà, espressa in ampere. Gli avviatori statici sono classificati in base alla loro capacità massima di trasporto di corrente continua e il dispositivo selezionato deve avere una corrente nominale pari o superiore alla FLC del motore. La tensione nominale dell'avviatore statico deve corrispondere anche alla tensione di alimentazione del motore: la maggior parte degli avviatori statici a bassa tensione sono dimensionati per tensioni di alimentazione nell'intervallo 200–690 V CA, 50/60 Hz, che coprono i livelli di distribuzione standard a bassa tensione utilizzati a livello globale.
Non tutte le applicazioni di avviamento impongono lo stesso carico termico sui tiristori di un soft starter. Una pompa che si avvia una volta all'ora impone un carico termico molto diverso rispetto a un trasportatore che si avvia e si arresta ogni pochi minuti o ad una sega che si avvia sotto carico pesante più volte all'ora. Gli avviatori statici sono classificati in base al servizio di avviamento, generalmente espresso come numero massimo di avvii all'ora, un moltiplicatore massimo di corrente di avviamento e una durata massima di avviamento in secondi. Le applicazioni con avviamenti frequenti, requisiti elevati di corrente di avviamento o tempi di accelerazione lunghi richiedono un avviatore statico con una classe di servizio più elevata. La scelta di un dispositivo basato esclusivamente sulla FLC del motore senza considerare il servizio di avviamento è una causa comune di guasto prematuro del tiristore nelle applicazioni a ciclo elevato.
La caratteristica della coppia del carico collegato influenza in modo significativo la configurazione del softstarter e l'idoneità di un softstarter standard. Le pompe e i ventilatori centrifughi sono carichi a bassa inerzia e coppia di avviamento ridotta, ideali per gli avviatori statici: accelerano facilmente a tensione ridotta e la coppia di carico aumenta gradualmente all'aumentare della velocità. Carichi ad inerzia elevata come volani di grandi dimensioni, mulini a sfere o trasportatori con carichi pesanti richiedono una coppia di avviamento elevata che un avviatore statico standard potrebbe non fornire: poiché la riduzione della tensione riduce la coppia in modo quadratico, un motore che si avvia a tensione ridotta può bloccarsi se la coppia di carico è sufficientemente elevata. Per le applicazioni con coppia di avviamento elevata, è necessario un avviatore statico con funzione di boost di corrente o controllo di coppia o, in alternativa, un VFD.
I moderni avviatori statici a bassa tensione incorporano una gamma di funzioni di protezione integrate che vanno oltre il semplice avviamento del motore. La disponibilità e la sofisticazione di queste funzioni variano in modo significativo tra i modelli economici di base e le unità complete. Quando si seleziona un avviatore statico per un'applicazione critica, valutare attentamente le funzioni di protezione integrate rispetto ai requisiti di protezione del motore e dell'applicazione.
L'installazione corretta è importante quanto la scelta corretta per un funzionamento affidabile dell'avviatore statico. La maggior parte dei guasti sul campo degli avviatori statici nel primo anno di servizio sono attribuibili a errori di installazione piuttosto che a difetti del dispositivo: cablaggio errato, ventilazione inadeguata, impostazioni errate dei parametri e dispositivi di protezione mancanti rappresentano la stragrande maggioranza dei problemi iniziali.
La configurazione di cablaggio dell'avviatore statico più comune collega il dispositivo in linea tra il contattore di alimentazione e i terminali del motore: le tre fasi di alimentazione passano attraverso i terminali di alimentazione dell'avviatore statico (tipicamente etichettati 1/L1, 3/L2, 5/L3 sul lato di ingresso e 2/T1, 4/T2, 6/T3 sul lato di uscita) e quindi direttamente al motore. Un contattore di isolamento a monte del soft starter scollega il dispositivo dall'alimentazione durante la manutenzione e garantisce il coordinamento della protezione da cortocircuito. Un contattore di bypass è integrato nell'avviatore statico o installato esternamente in parallelo ai terminali di potenza: una volta che il motore raggiunge la massima velocità, il bypass si chiude e il motore funziona direttamente in linea mentre i tiristori dell'avviatore statico vengono esclusi dal circuito.
Per i motori di grandi dimensioni già collegati in configurazione a triangolo, una disposizione di cablaggio interno delta (o interno delta) collega l'avviatore statico all'interno del circuito delta anziché nelle linee di alimentazione principali. Questa configurazione riduce la corrente che l'avviatore statico deve gestire di un fattore di 1/√3 (circa 58%) rispetto al cablaggio in linea, consentendo a un avviatore statico più piccolo e meno costoso di controllare un determinato motore. Tuttavia, il cablaggio Inside Delta richiede un'attenzione particolare alla messa in fase ed è più complesso da cablare e mettere in servizio correttamente. Viene comunemente utilizzato per motori di grandi dimensioni superiori a 200 kW in cui il risparmio sui costi derivante dall'utilizzo di un avviatore statico più piccolo giustifica la complessità di cablaggio aggiuntiva.
Gli avviatori statici a bassa tensione generano calore nei tiristori durante ogni sequenza di avvio e questo calore deve essere dissipato per mantenere il dispositivo entro l'intervallo di temperatura operativa. Rispettare sempre i requisiti di spazio minimo indicati dal produttore sopra, sotto e sui lati dell'avviatore statico per un'adeguata convezione naturale o un raffreddamento ad aria forzata. Nei pannelli di controllo chiusi, calcolare la dissipazione del calore totale da tutti i dispositivi installati e verificare che la capacità di ventilazione o condizionamento dell'aria del pannello sia adeguata a mantenere la temperatura interna entro la temperatura ambiente nominale dell'avviatore statico, in genere tra 40°C e 50°C massimo. Il superamento del limite termico durante le sequenze di avvio è la causa principale del degrado dei tiristori e del guasto prematuro.
I tiristori sono dispositivi estremamente veloci che possono essere distrutti in millisecondi dalle correnti di cortocircuito: molto più velocemente di quanto un interruttore automatico standard possa interrompere. Gli avviatori statici devono essere protetti da dispositivi di protezione da cortocircuito correttamente coordinati - interruttori automatici di protezione del motore (MPCB) o fusibili - classificati e selezionati in base alla tabella di coordinamento del produttore dell'avviatore statico. L'utilizzo di un dispositivo di protezione selezionato in modo errato è uno degli errori di installazione più comuni e può comportare la distruzione dell'avviatore statico in caso di guasto a valle da cui un dispositivo specificato correttamente lo avrebbe protetto. Quando si seleziona la protezione a monte, consultare sempre i dati di coordinamento del produttore, non le regole generiche di dimensionamento dell'interruttore.
Dopo l'installazione fisica, l'avviatore statico deve essere configurato con le impostazioni dei parametri corrette per il motore e il carico specifici prima della prima messa sotto tensione. La maggior parte degli avviatori statici a bassa tensione fornisce una serie di parametri regolabili tramite la tastiera e il display del pannello frontale o tramite il software dell'interfaccia di comunicazione. I parametri più critici da configurare correttamente alla messa in servizio sono le impostazioni della rampa di avviamento e la soglia di protezione da sovraccarico del motore.
La tensione iniziale (chiamata anche tensione iniziale o tensione piedistallo) imposta il livello di tensione al quale inizia la rampa di avvio. Un valore troppo basso significa che il motore inizialmente produce una coppia insufficiente per iniziare ad accelerare il carico, provocando lo stallo del motore all'inizio della rampa. Impostandolo su un valore troppo alto si riduce il vantaggio dell'avvio graduale iniziando la rampa vicino alla piena tensione. Per la maggior parte delle applicazioni con pompe centrifughe, una tensione iniziale pari al 30–40% della tensione di alimentazione è un punto di partenza pratico, regolato in base al comportamento di accelerazione effettivo osservato durante la messa in servizio.
Il tempo di rampa (chiamato anche tempo di accelerazione) definisce quanto tempo impiega la rampa di tensione dalla tensione iniziale a quella completa. Tempi di rampa più lunghi producono un'accelerazione più dolce e una corrente di spunto di picco inferiore, ma significano anche che il motore trascorre più tempo a tensione ridotta, aumentando il riscaldamento negli avvolgimenti del motore. I tempi di rampa tipici vanno da 3 a 30 secondi a seconda dell'inerzia del carico e del livello accettabile di corrente di spunto. L'impostazione della corrente di sovraccarico deve essere impostata sul 100–105% della corrente a pieno carico indicata sulla targa del motore per garantire una protezione accurata dai sovraccarichi senza interventi intempestivi durante le normali variazioni di funzionamento.
La maggior parte dell'attenzione nella selezione e nella messa in servizio dell'avviatore statico si concentra sulla sequenza di avvio, ma la funzione di arresto graduale (decelerazione controllata allo spegnimento) è altrettanto preziosa in molte applicazioni e viene spesso trascurata o lasciata disabilitata. Quando il motore di una pompa o di una ventola viene spento bruscamente, l'improvvisa perdita di flusso può causare colpi d'ariete nei sistemi di pompaggio (l'onda d'urto idraulica creata quando la quantità di moto del fluido viene interrotta bruscamente), picchi di pressione nei sistemi di tubazioni e stress meccanico sui giunti e sulle apparecchiature azionate poiché l'inerzia viene rapidamente dissipata.
La funzione di arresto graduale di un avviatore statico riduce progressivamente la tensione al motore lungo un tempo di rampa di decelerazione regolabile, in genere da 1 a 20 secondi, consentendo al motore e al carico di decelerare gradualmente anziché arrestarsi liberamente per inerzia. Nelle applicazioni con pompe con linee di scarico lunghe, l'abilitazione dell'arresto graduale con un tempo di decelerazione di 5-10 secondi elimina virtualmente i colpi d'ariete, proteggendo tubazioni, valvole e raccordi dai danni dovuti agli shock idraulici. Nelle applicazioni con trasportatori, l'arresto morbido impedisce la fuoriuscita di prodotto a causa dello scatto improvviso causato da un arresto improvviso. Abilitare e configurare correttamente l'arresto graduale è uno dei modi più semplici per estrarre valore aggiuntivo da un avviatore statico già installato ed è fortemente consigliato per qualsiasi applicazione in cui l'arresto improvviso crea problemi meccanici o idraulici.
Gli avviatori statici sono dispositivi elettronici robusti che raramente si guastano se specificati, installati e sottoposti a manutenzione correttamente, ma quando si verificano problemi, tendono a rientrare in schemi identificabili con cause chiare. Un approccio strutturato alla risoluzione dei problemi utilizzando i codici di errore visualizzati sul pannello dell'avviatore statico combinato con la conoscenza delle modalità di guasto più comuni risolve la maggior parte dei problemi sul campo senza richiedere la sostituzione dei componenti.
Gli avviatori statici a bassa tensione richiedono una manutenzione relativamente ridotta rispetto alle apparecchiature meccaniche di avviamento dei motori: non ci sono contatti da sostituire, parti mobili nel circuito di alimentazione e requisiti di lubrificazione. Tuttavia, una modesta routine di manutenzione periodica prolunga significativamente la durata utile e previene la maggior parte dei guasti evitabili.
L’attività di manutenzione ordinaria più importante è la pulizia. Gli ambienti del pannello di controllo accumulano polvere e contaminazione conduttiva nel tempo e uno strato di polvere sulle alette del dissipatore di calore dell'avviatore statico riduce drasticamente la dissipazione del calore convettivo, lo stesso problema di protezione termica che causa il degrado dei tiristori in caso di avviamento pesante. Ogni 6-12 mesi (o più frequentemente in ambienti industriali polverosi), spegnere l'avviatore statico e utilizzare aria compressa secca per eliminare la polvere dal dissipatore di calore, dalle fessure di ventilazione e dai circuiti stampati. Ispezionare tutti i collegamenti dei terminali di alimentazione e serrarli nuovamente ai valori specificati, poiché i cicli termici derivanti da avviamenti ripetuti provocano l'allentamento dei collegamenti nel tempo.
Esaminare il registro eventi o la cronologia dei guasti dell'avviatore statico a ogni visita di manutenzione se il dispositivo dispone di funzionalità di registrazione. Un registro che mostra un numero crescente di avvisi termici, eventi di squilibrio di fase o approcci di sovraccarico prima di un viaggio completo fornisce un avviso anticipato dello sviluppo di problemi - nel motore, nella rete di alimentazione o nel sistema meccanico - prima che causino un arresto non pianificato della produzione. L'utilizzo proattivo dei dati diagnostici disponibili dai moderni avviatori statici è una delle strategie di manutenzione più efficaci a disposizione dei team operativi e di manutenzione che lavorano con apparecchiature azionate a motore.