Spiegazione dell'azionamento a frequenza variabile a bassa tensione: come funziona e come sceglierne uno

Che cos'è un azionamento a frequenza variabile a bassa tensione?

Un azionamento a frequenza variabile a bassa tensione è un dispositivo elettronico utilizzato per controllare la velocità e la coppia di un motore CA regolando la frequenza e la tensione dell'energia elettrica fornita ad esso. Il termine "bassa tensione" si riferisce tipicamente ad azionamenti che funzionano al di sotto di 1000 volt, che copre la stragrande maggioranza dei motori utilizzati in edifici commerciali, impianti di produzione, impianti di trattamento dell'acqua e sistemi HVAC. Invece di far funzionare un motore a un'unica velocità fissa determinata dalla frequenza della rete elettrica, un azionamento a frequenza variabile a bassa tensione consente agli operatori di impostare esattamente la velocità necessaria per un'attività specifica.

Questo livello di controllo si traduce direttamente in risparmio energetico, ridotta usura meccanica e funzionamento del processo più fluido, motivo per cui questi azionamenti sono diventati apparecchiature standard in così tanti settori che fanno affidamento su pompe, ventilatori, trasportatori e compressori.

Come un azionamento a frequenza variabile a bassa tensione controlla la velocità del motore

Al suo centro, a Azionamento a frequenza variabile a bassa tensione converte l'alimentazione CA a frequenza fissa in ingresso in alimentazione CC, quindi la inverte nuovamente in alimentazione CA a una frequenza e tensione scelte dal sistema di controllo. Modificando la frequenza, l'azionamento modifica direttamente la velocità di rotazione del campo magnetico del motore, che a sua volta modifica la velocità di rotazione del motore.

Gli stadi raddrizzatore, sbarra CC e inverter

All'interno dell'unità, tre fasi principali gestiscono questo processo di conversione. Lo stadio raddrizzatore converte la potenza CA in ingresso in CC. Lo stadio del bus CC attenua e immagazzina questa potenza convertita utilizzando condensatori, agendo come buffer tra ingresso e uscita. Infine, lo stadio inverter utilizza interruttori a semiconduttore, più comunemente IGBT, per ridurre la potenza CC in una forma d'onda CA a frequenza variabile che aziona il motore alla velocità desiderata.

Modulazione dell'ampiezza dell'impulso e qualità dell'uscita

La maggior parte degli azionamenti moderni utilizza una tecnica chiamata modulazione dell'ampiezza dell'impulso per modellare la forma d'onda di uscita, accendendo e spegnendo rapidamente l'inverter per approssimare un'onda sinusoidale uniforme. I migliori algoritmi PWM producono una potenza di uscita più pulita, che riduce il riscaldamento del motore, abbassa il rumore udibile e minimizza le interferenze elettriche che potrebbero altrimenti influenzare le apparecchiature sensibili vicine.

Principali vantaggi dell'installazione di un azionamento a frequenza variabile a bassa tensione

Gli impianti che passano dal controllo di motori a velocità fissa agli azionamenti a frequenza variabile in genere riscontrano vantaggi in diverse aree operative, non solo nel solo consumo di energia.

Il risparmio energetico tende ad essere il vantaggio più citato, in particolare per i sistemi con pompe e ventilatori centrifughi, dove il consumo energetico diminuisce in modo significativo quando la velocità viene ridotta anche leggermente, seguendo una relazione in cui la richiesta di potenza cresce con il cubo della velocità del motore.

Applicazioni comuni in diversi settori

Gli azionamenti a frequenza variabile a bassa tensione compaiono in molti più luoghi di quanto la maggior parte delle persone creda, spesso lavorando silenziosamente sullo sfondo dei sistemi con cui le persone interagiscono ogni giorno.

• Sistemi HVAC, in cui gli azionamenti regolano la velocità delle ventole e delle pompe per soddisfare la domanda di riscaldamento e raffreddamento dell'edificio in tempo reale
• Impianti di trattamento dell'acqua e delle acque reflue, in cui la velocità della pompa deve variare con portate fluttuanti durante il giorno
• Sistemi di trasporto di produzione, in cui il controllo preciso della velocità mantiene sincronizzate le linee di produzione
• Sistemi di compressione nella refrigerazione e nel condizionamento dell'aria, dove la velocità variabile riduce gli sprechi energetici in condizioni di carico parziale
• Sistemi di ascensori e scale mobili, in cui accelerazioni e decelerazioni fluide migliorano il comfort e la sicurezza dei passeggeri

Scegliere l'unità giusta per la tua applicazione

Selezionare un azionamento a frequenza variabile a bassa tensione non significa solo abbinare la potenza nominale al motore. Numerosi altri fattori influenzano l'affidabilità delle prestazioni di un'unità nel proprio ambiente operativo specifico.

• Confermare che la tensione e la corrente nominale dell'azionamento corrispondano alle specifiche sulla targhetta del motore con un margine di sicurezza adeguato
• Verificare la classificazione dell'involucro rispetto all'ambiente di installazione, poiché luoghi polverosi o umidi richiedono involucri con grado di protezione IP più elevato
• Valuta se la tua applicazione richiede il controllo della coppia costante, comune nei trasportatori, o il controllo della coppia variabile, comune nelle pompe e nei ventilatori
• Considerare i protocolli di comunicazione integrati se il convertitore deve integrarsi con un sistema SCADA o di automazione degli edifici esistente
• Controllare le funzionalità di mitigazione delle armoniche, poiché gli azionamenti scarsamente filtrati possono introdurre rumore elettrico che influisce su altre apparecchiature sullo stesso circuito di alimentazione

Per installazioni più grandi con più unità in funzione contemporaneamente, vale anche la pena discutere in anticipo le opzioni di filtraggio delle armoniche con il proprio fornitore, poiché la distorsione armonica cumulativa su più unità può creare problemi di qualità dell'alimentazione che sono molto più costosi da risolvere dopo l'installazione che da pianificare in anticipo.

Migliori pratiche di installazione e manutenzione

Una corretta installazione e una manutenzione continua influiscono in modo significativo sull'affidabilità delle prestazioni di un convertitore di frequenza a bassa tensione per tutta la sua durata di servizio. Saltare le precauzioni di base durante la configurazione è una delle cause più comuni di guasto prematuro dell'unità.

• Montare l'unità in un luogo ben ventilato, poiché un eccessivo accumulo di calore riduce la durata dei componenti elettronici interni
• Utilizzare cavi motore adeguatamente schermati per ridurre il rumore elettrico e proteggere dalla rottura dell'isolamento del cavo nel tempo
• Pulire regolarmente le ventole di raffreddamento e i filtri dell'aria per mantenere un corretto flusso d'aria interno
• Controllare e serrare periodicamente i collegamenti dei terminali, poiché collegamenti allentati possono causare archi elettrici o guasti intermittenti
• Monitora la cronologia dei guasti dell'azionamento e i registri dei parametri per individuare i primi segnali di allarme prima che si verifichi un guasto completo