Principio fondamentale: come i VFD a bassa tensione regolano la velocità e la potenza del motore
A Azionamento a frequenza variabile a bassa tensione (VFD), spesso indicato come azionamento a velocità regolabile (ASD), è un componente essenziale per controllare la velocità di rotazione di un motore a corrente alternata (CA) gestendo l'energia elettrica fornita ad esso. La designazione "bassa tensione" si applica tipicamente ai VFD che funzionano con tensioni industriali standard fino a 690 V. Il funzionamento fondamentale si basa sulla variazione simultanea della frequenza e della tensione, mantenendo un rapporto tensione-frequenza (V/f) costante per garantire che il flusso magnetico del motore rimanga costante e possa fornire la coppia richiesta.
Il VFD converte internamente l'alimentazione CA in ingresso in corrente continua (CC) utilizzando una sezione raddrizzatore, in genere un ponte a diodi. Questa potenza CC viene quindi filtrata da un banco di condensatori del collegamento CC, che attenua la potenza. Infine, una sezione inverter, solitamente costituita da transistor bipolari a gate isolato (IGBT), riconverte la corrente continua in una precisa forma d'onda CA a frequenza variabile e tensione variabile utilizzando una tecnica chiamata modulazione di larghezza di impulso (PWM).
Vantaggi pratici e risparmi immediati sui costi dell'implementazione del VFD
I vantaggi pratici derivanti dall'integrazione dei VFD nei sistemi industriali e commerciali vanno oltre il semplice controllo della velocità, incidendo direttamente sui costi operativi, sulla durata delle apparecchiature e sulla qualità del processo. Questi vantaggi garantiscono un rapido ritorno dell'investimento, in particolare nelle applicazioni di gestione dei fluidi.
Significativa riduzione dell’energia attraverso le leggi di affinità
Per carichi centrifughi come pompe e ventilatori, il consumo di potenza del motore segue il cubo della velocità (Legge di Affinità). Ciò significa che una piccola riduzione della velocità si traduce in una massiccia riduzione della potenza assorbita. Ad esempio, riducendo la velocità solo del 20% (funzionando all'80%) si riduce il consumo energetico di quasi il 50% ($ 0,8 ^ 3 = 0,512 $). Questo rapporto proporzionale è il fattore principale per un massiccio risparmio energetico negli impianti HVAC e di trattamento dell’acqua.
Controllo del processo e protezione delle apparecchiature migliorati
I VFD forniscono una funzionalità di "avvio graduale" accelerando lentamente il motore dalla velocità zero alla velocità operativa. Ciò elimina la massiccia corrente di spunto e lo shock meccanico associati all'avviamento "a tutta la linea", in cui il motore riceve istantaneamente la piena tensione. Mitigando lo stress elettrico e l'usura meccanica su componenti come ingranaggi, cinghie e giunti, il VFD prolunga gli intervalli di manutenzione e la vita operativa complessiva delle apparecchiature azionate. Inoltre, il controllo preciso della velocità consente una regolazione accurata del flusso, della pressione o della temperatura, migliorando la qualità del prodotto nei processi di produzione.
Profili applicativi comuni VFD a bassa tensione
I VFD a bassa tensione sono versatili e vengono utilizzati in quasi tutti i settori industriali. La loro applicazione è generalmente classificata in base al tipo di carico: coppia variabile, coppia costante o potenza costante.
La tabella seguente riassume le applicazioni comuni e le loro caratteristiche:
| Tipo di applicazione | Carichi tipici | Profilo di coppia | Beneficio primario |
| HVAC e pompaggio | Ventilatori centrifughi, soffianti, pompe | Coppia variabile (Coppia $\propto$ Velocità$^2$) | Massimo Risparmio Energetico (Legge di Affinità) |
| Movimentazione dei materiali | Trasportatori, estrusori, miscelatori | Coppia costante (la coppia è fissa) | Controllo preciso di velocità/posizione |
| Macchine utensili | Torni, frese, mandrini | Potenza costante (Coppia inversamente $\propto$ Velocità) | Ampia gamma di velocità per la lavorazione |
Considerazioni pratiche per la selezione e l'installazione del VFD
La selezione e l'installazione corrette sono fondamentali per ottenere tutti i vantaggi di un VFD. Le considerazioni chiave includono le condizioni ambientali, la compatibilità del motore e la mitigazione dei potenziali problemi di qualità dell'energia.
Dimensionamento, involucri e fattori ambientali
Il VFD deve essere dimensionato correttamente in base alla corrente a pieno carico (FLA) del motore e spesso leggermente sovradimensionato per applicazioni con cicli di lavoro impegnativi o requisiti di coppia di avviamento elevati. Il tipo di custodia deve essere adatto all'ambiente, da NEMA 1 (uso generale, per interni) a NEMA 4X (resistente alla corrosione, per esterni/lavaggio). Il VFD genera calore, pertanto per un funzionamento affidabile sono obbligatori uno spazio di raffreddamento adeguato e un controllo della temperatura ambiente.
Mitigare la qualità dell'energia e i problemi armonici
La sezione raddrizzatore del VFD assorbe corrente in impulsi brevi e di elevata ampiezza, che possono introdurre distorsione armonica nella linea di alimentazione elettrica. Ciò può influire negativamente su altre apparecchiature sensibili. Le strategie pratiche di mitigazione includono:
- Aggiunta di reattanze di linea CA sul lato di ingresso per attenuare la corrente in ingresso e ridurre il contenuto armonico.
- Installazione di induttanze del collegamento CC tra il raddrizzatore e il banco di condensatori per ridurre le armoniche e migliorare la stabilità del bus CC.
- Utilizzo di VFD Active Front End (AFE) o raddrizzatori a 18 impulsi per applicazioni in cui è fondamentale una distorsione armonica totale (THD) molto bassa, sebbene queste opzioni aumentino il costo di capitale iniziale.
Inoltre, la commutazione ad alta velocità degli IGBT può generare picchi di tensione che, nel tempo, potrebbero danneggiare gli avvolgimenti del motore. Per lunghezze dei cavi del motore maggiori (in genere superiori a 50 piedi), si consiglia vivamente l'installazione di reattori di carico o filtri di uscita per proteggere l'isolamento del motore.
