Massimizzare l'efficienza industriale: una guida tecnica alla selezione e all'ottimizzazione degli azionamenti a frequenza variabile a bassa tensione

Funzionalità principali e meccanica operativa dei VFD a bassa tensione

Un azionamento a frequenza variabile a bassa tensione (VFD) è un dispositivo elettronico di potenza critico utilizzato per controllare la velocità e la coppia dei motori CA variando la frequenza e la tensione dell'alimentazione fornita. Operando tipicamente a tensioni inferiori a 600 V, questi azionamenti convertono un ingresso CA a frequenza fissa in una tensione del bus CC tramite un ponte raddrizzatore, filtrano il segnale attraverso un banco di condensatori e quindi lo invertono nuovamente in un'uscita CA modulata in larghezza di impulso (PWM). Questo controllo preciso consente un notevole risparmio energetico, soprattutto nelle applicazioni centrifughe come pompe e ventilatori dove il consumo energetico è proporzionale al cubo della velocità.

Oltre alla semplice regolazione della velocità, i moderni VFD a bassa tensione incorporano sofisticati algoritmi di controllo come il controllo vettoriale senza sensori e il controllo del motore a magnete permanente. Queste tecnologie consentono all'azionamento di mantenere una coppia elevata anche a basse velocità, fornendo una migliore risposta dinamica e precisione rispetto ai tradizionali avviatori di linea. Riducendo la corrente di spunto durante l'avvio del motore, il VFD riduce al minimo anche lo stress meccanico su cinghie, ingranaggi e cuscinetti, prolungando di fatto la durata dell'intera trasmissione.

Specifiche tecniche critiche per la selezione

Valori nominali di tensione e corrente

Quando si seleziona un azionamento, è essenziale far corrispondere la tensione di ingresso (tipicamente 230 V, 460 V o 575 V) e la corrente a pieno carico (FLA) del motore. È un errore comune dimensionare un VFD basandosi esclusivamente sulla potenza; tuttavia, la corrente nominale è il vero fattore limitante per i componenti di potenza del convertitore. Per le applicazioni che prevedono cicli di avviamento intensivi, è necessario un convertitore con una capacità di sovraccarico maggiore, spesso del 150% per 60 secondi, per evitare scatti intempestivi durante richieste di coppia elevata.

Classi di protezione dell'involucro

L'ambiente in cui opera il VFD determina la classificazione NEMA o IP richiesta. In ambienti puliti e climatizzati può essere sufficiente una custodia IP20 (Open Type). Tuttavia, in ambienti industriali soggetti a polvere, umidità o esposizione chimica, sono necessarie custodie IP54 o NEMA 12 per proteggere la sensibile elettronica interna. È necessario prendere in considerazione una corretta gestione termica, ad esempio dissipatori di calore o ventole di raffreddamento esterne, per evitare il declassamento dell'unità a causa dell'aumento della temperatura ambiente.

Confronto dei metodi di controllo del VFD

La scelta della logica di controllo determina il modo in cui l'azionamento gestisce le fluttuazioni del carico e la precisione della velocità. La tabella seguente riassume i metodi più comuni utilizzati negli azionamenti a bassa tensione:

Migliori pratiche di implementazione e protezione del sistema

Installazione riuscita di a VFD a bassa tensione richiede un'attenzione particolare alle interferenze elettromagnetiche (EMI) e alla qualità dell'alimentazione. La commutazione ad alta frequenza può indurre distorsioni armoniche nella rete elettrica o causare fenomeni di onde riflesse, che possono danneggiare l'isolamento del motore, soprattutto con cavi lunghi. Per mitigare questi rischi, gli ingegneri dovrebbero implementare le seguenti strategie:

• Installare reattanze di linea CA per ridurre la distorsione armonica e proteggere il convertitore dalle sovratensioni di linea.
• Utilizzare cavi classificati VFD con schermatura e messa a terra adeguate per contenere il rumore irradiato.
• Applicare filtri dV/dt o filtri sinusoidali se la distanza tra il VFD e il motore supera i 50 metri.
• Utilizzare anelli di messa a terra dell'albero per evitare la vaiolatura dei cuscinetti causata dalla tensione di modo comune.

Progressi nella tecnologia Smart VFD

L'ultima generazione di VFD a bassa tensione va oltre il semplice controllo del motore fungendo da dispositivo di edge computing per l'Internet delle cose industriale (IIoT). Questi azionamenti sono dotati di protocolli di comunicazione integrati come EtherNet/IP, Profinet e Modbus TCP, che consentono lo streaming di dati in tempo reale ai sistemi di controllo centralizzati. Le funzionalità di manutenzione predittiva ora consentono al VFD di monitorare la propria temperatura interna, lo stato della ventola e l'usura dei condensatori, nonché fattori esterni come le vibrazioni del motore e le modifiche del profilo di carico. Analizzando questi dati, le strutture possono passare dalla manutenzione reattiva a quella proattiva, riducendo significativamente i tempi di inattività non pianificati e ottimizzando il costo totale di proprietà.