Spiegazione del convertitore di frequenza a frequenza variabile in media tensione: come funziona, quale topologia scegliere e cosa specificare

Che cos'è un azionamento a frequenza variabile a media tensione e perché esiste

Un azionamento a frequenza variabile a media tensione (MV VFD), noto anche come azionamento a frequenza regolabile a media tensione (AFD), azionamento a velocità regolabile a media tensione (ASD) o semplicemente azionamento a media tensione, è un sistema elettronico di potenza che controlla la velocità e la coppia di un motore CA a media tensione variando la frequenza e la tensione dell'alimentazione elettrica ad esso fornita. Laddove i VFD a bassa tensione funzionano con tensioni di sistema fino a 690 V, gli azionamenti a media tensione coprono la gamma da circa Da 2,3 kV a 13,8 kV , affrontando i grandi carichi dei motori che sono poco pratici da alimentare attraverso sistemi a bassa tensione a causa dei livelli di corrente proibitivamente elevati che ne deriverebbero.

La realtà fisica che determina la necessità di apparecchiature a media tensione è semplice: la potenza è uguale alla tensione moltiplicata per la corrente. Un carico di un motore da 2 MW alimentato a 480 V assorbe oltre 2.400 ampere: le dimensioni dei cavi, i valori nominali dei quadri e i requisiti dei dispositivi di protezione diventano ingestibili su questa scala. Lo stesso carico da 2 MW alimentato a 4.160 V assorbe circa 280 ampere, un livello che può essere facilmente gestito da quadri e cavi di media tensione standard. Per i motori industriali da 1 a 2 MW, l'alimentazione a media tensione non è una preferenza ma una necessità ingegneristica pratica, e i VFD MV sono la tecnologia di controllo che rende possibile il funzionamento a velocità variabile di queste grandi macchine.

Le installazioni globali di azionamenti a media tensione sono concentrate nelle industrie ad alta intensità energetica: compressione e pompaggio di petrolio e gas, trasportatori e azionamenti di sollevamento minerari, stazioni di pompaggio di acqua e acque reflue, lavorazione di cemento e aggregati, cartiere, laminatoi di acciaio e grandi sistemi HVAC. La motivazione economica dei VFD MV si basa principalmente sulle Leggi di Affinità che regolano i carichi centrifughi – pompe e ventilatori – le quali affermano che la potenza dell’albero varia con il cubo della velocità di rotazione. Riducendo la velocità di una pompa solo del 20% si riduce il consumo energetico di circa 49% , producendo risparmi energetici che in genere consentono il pieno recupero dell'investimento nell'azionamento entro 12-36 mesi in applicazioni ad alta autonomia.

Come funziona un VFD a media tensione: il percorso di alimentazione di base

Tutti gli azionamenti a media tensione, indipendentemente dalla topologia, condividono la stessa sequenza fondamentale di conversione della potenza. Comprendere questa sequenza è la base per valutare il motivo per cui topologie diverse comportano i compromessi ingegneristici che comportano.

L'alimentazione in ingresso, generalmente CA trifase a media tensione proveniente dal bus di distribuzione della struttura, entra nell'azionamento e viene prima convertita in CC da uno stadio raddrizzatore. Questo stato intermedio CC disaccoppia il convertitore lato rete dal convertitore lato motore, consentendo di variare la frequenza e la tensione di uscita indipendentemente dalla frequenza di alimentazione in ingresso. Uno stadio inverter riconverte quindi la corrente continua in corrente alternata trifase alla frequenza e alla tensione richieste dal motore in qualsiasi punto operativo. Gli interruttori dell'inverter, nella maggior parte delle topologie di azionamento MT, transistor bipolari a gate isolato (IGBT), si accendono e si spengono migliaia di volte al secondo, controllati da algoritmi PWM (Pulse Wide Modulation) che modellano la forma d'onda di uscita per approssimare una tensione sinusoidale alla frequenza target.

A media tensione, la sfida è che i singoli interruttori a semiconduttore di potenza non possono sopportare l'intera tensione del sistema attraverso i loro terminali senza guasti. Un singolo IGBT valutato a 1.700 V non può commutare direttamente un bus da 4.160 V. Le topologie di azionamento MT risolvono questo vincolo in diversi modi, impilando i dispositivi in ​​serie, utilizzando configurazioni di circuiti multilivello o collegando in cascata più celle di conversione a bassa tensione, e questi diversi approcci producono le distinte famiglie di topologie descritte di seguito.

Topologie VFD MV: i cinque progetti principali e i relativi compromessi

Non esiste un’unica topologia dominante nel mercato degli azionamenti a media tensione. Ciascuno dei progetti principali rappresenta un diverso compromesso ingegneristico tra qualità della forma d'onda di uscita, prestazioni armoniche, valori nominali dei componenti, compatibilità del motore e costo del sistema. La scelta della giusta topologia per una determinata applicazione è una delle decisioni ingegneristiche più importanti in un progetto di azionamento MV.

Punto neutro a tre livelli bloccato (NPC 3-L)

La topologia NPC a tre livelli è disponibile in commercio dalla fine degli anni '80 e rimane una delle più diffuse sul mercato. Utilizza un collegamento CC diviso in condensatori con diodi di bloccaggio per produrre tre distinti livelli di tensione in uscita, anziché la semplice commutazione a due livelli (on/off) di un inverter di base. L'uscita a tre livelli produce una qualità della forma d'onda in uscita significativamente migliore rispetto a un design a due livelli, riducendo lo stress dv/dt sugli avvolgimenti del motore e diminuendo la distorsione armonica. La topologia NPC è disponibile presso ABB (ACS1000, ACS6080) e molti altri importanti produttori, in genere con tensioni nominali comprese tra 2,3 kV e 6,9 ​​kV. Il suo limite principale è che i diodi di clamping creano un carico asimmetrico sui condensatori del collegamento CC durante condizioni operative sbilanciate, richiedendo un'attenta gestione della progettazione.

Ponte H a cascata (CHB): tecnologia cellulare multilivello

La topologia a ponte H in cascata, chiamata anche tecnologia delle celle multilivello o tecnologia delle celle in serie, crea la forma d'onda di uscita collegando in cascata più celle inverter a ponte H a bassa tensione in serie su ciascuna fase di uscita. Ciascuna cella funziona a livelli convenzionali di bassa tensione (utilizzando IGBT collaudati da 1.700 V identici a quelli utilizzati nel settore degli azionamenti LV ad alto volume) e l'uscita combinata delle celle collegate in serie produce l'uscita di media tensione richiesta. Con un numero sufficiente di celle in serie, la forma d'onda di uscita si avvicina a un'onda sinusoidale quasi perfetta, con una distorsione armonica estremamente bassa e uno stress dv/dt molto basso sull'isolamento del motore. La topologia CHB è utilizzata da Benshaw (serie MVH2), Siemens (SINAMICS GM150) e altri. I suoi principali vantaggi sono le prestazioni armoniche intrinseche, la compatibilità con i motori standard non utilizzati con inverter e la capacità di sostituzione delle celle modulari: una cella guasta può essere sostituita singolarmente senza sostituire l'intero gruppo inverter, riducendo al minimo i tempi di fermo. Richiede inoltre un trasformatore di ingresso multi-avvolgimento per fornire alimentatori isolati per ciascun banco di celle.

Convertitore multilivello modulare (MMC)

Il convertitore multilivello modulare è una topologia più recente che estende ulteriormente il concetto multilivello, utilizzando un gran numero di sottomoduli identici a semiponte o ponte intero collegati in serie per formare ciascun braccio del convertitore. Gli azionamenti MMC producono forme d'onda di uscita di altissima qualità con un contenuto armonico molto basso e sono scalabili a livelli di potenza molto elevati. La topologia sta guadagnando terreno commerciale in applicazioni superiori a 10 MW e viene utilizzata nell'ACS6080 di ABB e piattaforme simili ad alta potenza. La sua complessità e l'elevato numero di sottomoduli basati su condensatori richiedono algoritmi di controllo sofisticati e sistemi di monitoraggio più estesi rispetto alle topologie più semplici, che storicamente ne hanno limitato l'uso alle applicazioni più grandi e di maggior valore.

Invertitore di sorgente di corrente PWM (CSI)

Gli inverter con sorgente di corrente utilizzano un grande induttore CC anziché un banco di condensatori come elemento di accumulo dell'energia del collegamento CC, conferendo all'inverter il carattere di una sorgente di corrente anziché di una sorgente di tensione. Gli azionamenti CSI producono una forma d'onda di uscita controllata in corrente e sono particolarmente adatti per azionamenti di motori sincroni e applicazioni che richiedono frenatura rigenerativa, poiché il collegamento CC basato su induttore gestisce il flusso di energia bidirezionale in modo più naturale rispetto a un VSI basato su condensatore. La qualità della forma d'onda in uscita da un CSI PWM è buona ma in genere richiede un filtro condensatore sui terminali del motore per mitigare il contenuto ad alta frequenza. PowerFlex 7000 di Rockwell Automation è uno degli azionamenti MV basati su CSI più ampiamente riconosciuti in servizio.

Invertitore a commutazione di carico (LCI)

L'inverter con commutazione del carico è una tecnologia matura utilizzata per azionamenti di motori sincroni di grandi dimensioni e ad altissima potenza: compressori, pompe e ventilatori con potenze superiori a 10-20 MW. Gli azionamenti LCI utilizzano tiristori (SCR) anziché IGBT come dispositivi di commutazione; i tiristori vengono disattivati ​​dalla forza elettromotrice posteriore del motore sincrono anziché dal circuito di spegnimento del gate, motivo per cui il carico (il motore) deve essere una macchina sincrona che funziona al di sopra di una velocità minima per fornire la tensione di commutazione. Gli azionamenti LCI sono estremamente robusti e hanno una capacità di potenza molto elevata, ma producono un contenuto armonico relativamente elevato e sono limitati a carichi di motori sincroni a livelli di potenza elevati. Sono la tecnologia di punta per grandi treni di compressori GNL, stazioni di pompaggio per condotte e grandi ventilatori industriali.

Risparmio energetico: il core business case per i VFD MV

Il principale fattore economico per la maggior parte delle installazioni VFD MV è la riduzione dei costi energetici sui carichi delle pompe centrifughe e dei ventilatori. Le Leggi di Affinità – le relazioni fondamentali della fluidodinamica che governano le macchine centrifughe – affermano che il flusso varia linearmente con la velocità dell’albero, la pressione varia con il quadrato della velocità e la potenza varia con il cubo della velocità. Questa relazione cubica rende il controllo della velocità sproporzionatamente potente come strategia di gestione dell’energia.

In un processo che fa funzionare una pompa all’80% della massima velocità per una parte significativa del suo tempo di funzionamento, l’azionamento consuma circa il 51% della potenza che verrebbe assorbita alla massima velocità: una riduzione di quasi la metà rispetto a una riduzione della velocità del 20%. Per un motore di pompa da 2 MW che funziona a velocità ridotta per 6.000 ore all’anno a una tariffa elettrica industriale, il risparmio energetico annuale può superare le centinaia di migliaia di dollari. A fronte di un costo totale del VFD MV installato che in genere varia da Da $ 150 a $ 500 per kW della potenza nominale del motore a seconda della classe di tensione e della topologia, per le applicazioni centrifughe ad alta autonomia sono ottenibili periodi di ammortamento da uno a tre anni.

Oltre al risparmio sul carico centrifugo, i VFD MV offrono ulteriori vantaggi energetici e operativi. L'avviamento graduale, ovvero l'accelerazione graduale del motore dalla velocità zero anziché applicare la tensione completa lungo la linea, elimina l'elevata corrente di spunto (tipicamente da 6 a 8 volte la corrente a pieno carico) che si verifica durante l'avviamento attraverso la linea. Ciò elimina gli shock meccanici sul treno di trasmissione, riduce lo stress termico sugli avvolgimenti del motore e previene il calo di tensione sul bus di distribuzione che accompagna gli avviamenti di motori di grandi dimensioni. Il controllo preciso della velocità consente inoltre l'ottimizzazione del processo che può ridurre gli sprechi di materiale, migliorare la qualità del prodotto e ridurre l'usura delle apparecchiature meccaniche a valle: vantaggi che si aggiungono alla redditività finanziaria oltre la sola riduzione dei costi dell'elettricità.

Armoniche: cosa generano i VFD MV e come gestirli

Gli azionamenti a frequenza variabile, compresi i tipi a media tensione, sono carichi non lineari: assorbono corrente dall'alimentazione in impulsi anziché in modo uniforme, generando correnti armoniche che fluiscono nel sistema di alimentazione. Queste correnti armoniche causano distorsioni di tensione sul bus di distribuzione, che possono interferire con la strumentazione sensibile, surriscaldare trasformatori e cavi progettati per il funzionamento a frequenza fondamentale e causare interventi fastidiosi dei dispositivi di protezione. La gestione della distorsione armonica è un elemento obbligatorio di qualsiasi installazione VFD MV, non un perfezionamento opzionale.

In che modo le diverse topologie influiscono sulle prestazioni armoniche

L'elemento di differenziazione più importante nelle prestazioni armoniche è il design del raddrizzatore e il numero di impulsi della topologia dell'azionamento. Un raddrizzatore standard a sei impulsi, il design più semplice e comune, genera correnti armoniche di 5a, 7a, 11a e 13a come componenti dominanti. Le configurazioni del raddrizzatore a dodici e diciotto impulsi annullano le coppie armoniche di ordine inferiore, riducendo significativamente la distorsione armonica totale (THD). La topologia del ponte H a cascata, in virtù del suo trasformatore di ingresso multi-avvolgimento che fornisce alimentazione sfasata a ciascun banco di celle, raggiunge intrinsecamente numeri di impulsi effettivi da 18 a 36 o superiori a seconda del numero di celle, producendo una distorsione armonica di ingresso molto bassa senza hardware di filtraggio aggiuntivo. Lo standard IEEE 519, che è la specifica armonica di riferimento per i sistemi di alimentazione industriale nel Nord America, stabilisce limiti sia sul THD di corrente nel punto di accoppiamento comune che sulla distorsione della tensione armonica individuale: la maggior parte delle specifiche di approvvigionamento VFD MV richiedono la conformità con IEEE 519 come condizione minima di fornitura.

Strategie di mitigazione armonica

Quando le prestazioni armoniche intrinseche della topologia di azionamento selezionata non soddisfano i requisiti di qualità dell'alimentazione del progetto, è disponibile ulteriore hardware di mitigazione. I filtri armonici passivi (circuiti LC sintonizzati installati sul bus di ingresso del convertitore) assorbono frequenze armoniche specifiche prima che entrino nel sistema di distribuzione. Gli stadi raddrizzatori front-end attivi (AFE) utilizzano la commutazione controllata da PWM sul lato di ingresso del convertitore per assorbire una corrente di ingresso quasi sinusoidale, ottenendo un THD molto basso senza i rischi di risonanza associati ai filtri passivi. I reattori della linea di ingresso forniscono un'attenuazione armonica parziale a un costo inferiore rispetto ai filtri armonici completi, ma non raggiungono da soli la conformità IEEE 519 per la maggior parte delle installazioni. La strategia di mitigazione delle armoniche deve essere determinata durante la fase ingegneristica del progetto, non in un secondo momento, poiché influisce sulla potenza nominale del trasformatore, sulla progettazione del pannello di ingresso del convertitore e sul costo complessivo del sistema.

Considerazioni sulla compatibilità di motori e cavi

Non tutti i motori e le configurazioni dei cavi sono ugualmente compatibili con il funzionamento del VFD MV. La forma d'onda della tensione di uscita di un convertitore, anche se si tratta di un design multilivello di alta qualità, non è un'onda sinusoidale pura e i componenti di commutazione ad alta frequenza nell'uscita possono causare problemi che non si verificano nel funzionamento del motore attraverso la linea.

Sollecitazione di isolamento del motore e onde riflesse

I primi progetti di azionamento a media tensione, in particolare le topologie di commutazione a due livelli semplici, producevano impulsi di tensione con fronti ripidi sui terminali del motore che causavano un rapido degrado dell'isolamento e guasti prematuri del motore. Ciò ha portato alla necessità di motori "servizio inverter" con sistemi di isolamento rinforzato in applicazioni VFD a bassa tensione. Uno dei principali vantaggi delle topologie di azionamento MV multilivello, in particolare dei progetti CHB e NPC, è che la maggiore qualità della forma d'onda di uscita riduce drasticamente il dv/dt (velocità di aumento della tensione) e lo stress della tensione di picco sui terminali del motore, rendendoli compatibili con i motori standard a media tensione che non sono stati specificatamente classificati per il funzionamento dell'azionamento. Tuttavia, la lunghezza del cavo tra il convertitore e il motore rimane una variabile importante: i cavi motore lunghi fungono da linee di trasmissione e possono produrre riflessioni di tensione che quasi raddoppiano la tensione di picco ai terminali del motore. Per installazioni con cavi lunghi, una misura di protezione standard è un filtro du/dt o un filtro sinusoidale all'uscita del convertitore.

Correnti dei cuscinetti del motore

La commutazione PWM nei VFD genera tensioni di modo comune – tensioni che appaiono simultaneamente su tutte e tre le fasi di uscita rispetto a terra – che possono far sì che la corrente fluisca attraverso i cuscinetti dell'albero motore verso terra. Queste correnti del cuscinetto erodono la superficie della pista del cuscinetto attraverso la lavorazione a scarica elettrica (EDM), creando vaiolature che producono rumore e, infine, il cedimento del cuscinetto. Anelli di messa a terra dell'albero, cuscinetti isolati e filtri di modo comune sono le misure di mitigazione standard. Per i grandi motori a media tensione, il rischio è ben compreso e le misure di protezione vengono regolarmente integrate nelle specifiche dell’azionamento o del motore, ma devono essere affrontate esplicitamente anziché ritenute non necessarie.

Applicazioni industriali in cui i VFD MV offrono il massimo valore

Azionamenti a frequenza variabile in media tensione sono utilizzati in un'ampia gamma di settori, ma alcune categorie di applicazioni garantiscono il massimo ritorno sull'investimento perché combinano motori di grandi dimensioni, elevata autonomia annuale e significativa variabilità del processo che rende prezioso il controllo della velocità.

• Petrolio e gas: Le pompe per tubazioni, i treni di compressione per la trasmissione del gas e la liquefazione del GNL, le pompe di sollevamento dell'acqua di mare per piattaforme offshore e le pompe di iniezione dell'acqua rappresentano tutti grandi carichi di motori a media tensione in cui sia il risparmio energetico che la capacità di avvio graduale giustificano l'installazione di VFD MV. Negli ambienti offshore, l'ingombro compatto e la protezione dagli archi elettrici dei moderni azionamenti MV chiusi soddisfano i limiti di spazio e sicurezza delle installazioni su piattaforma.
• Acqua e acque reflue: Le grandi stazioni di pompaggio municipali (pompe di aspirazione, pompe booster della rete di trasmissione e stazioni di sollevamento delle acque reflue) sono tra le applicazioni VFD MV più comuni a livello globale perché la combinazione di motori di grandi dimensioni, cicli di lavoro continui e profili di domanda variabili produce un rapido recupero energetico. Gli azionamenti MT nelle applicazioni per acque reflue vengono sempre più specificati con involucri IP54 o superiori e con tenuta ambientale contro idrogeno solforato e umidità.
• Estrazione mineraria: Le trasmissioni per nastri trasportatori, le trasmissioni per paranchi e avvolgitori, i grandi ventilatori e le trasmissioni per mulini (mulini SAG, mulini a sfere) rappresentano le principali applicazioni VFD MV nel settore minerario. La capacità di controllare l'accelerazione del trasportatore riduce con precisione lo stress meccanico sul nastro e riduce gli intervalli di manutenzione sulle giunzioni del nastro e sulle pulegge di coda: un vantaggio operativo che si aggiunge al caso dei costi energetici nelle operazioni ad alto tonnellaggio.
• Cemento e aggregato: Gli azionamenti dei forni, gli azionamenti dei mulini grezzi e i grandi sistemi di ventilazione nei cementifici funzionano continuamente e rappresentano carichi elettrici significativi. I requisiti di coppia variabile di questi processi, in particolare l'avviamento del forno, che richiede una coppia elevata a velocità molto bassa, rendono il controllo VFD superiore alle alternative di linea o con avviatore graduale sia per le prestazioni che per la protezione delle apparecchiature.
• Generazione di energia: Le pompe di alimentazione delle caldaie, i ventilatori a tiraggio forzato, i ventilatori a tiraggio indotto e le pompe di circolazione dell'acqua nelle centrali termoelettriche sono classiche applicazioni ad alta autonomia e a carico variabile in cui i retrofit MV VFD hanno prodotto risparmi energetici dal 20 al 40% su sistemi precedentemente controllati da acceleratore o da serrande.
• Marino e offshore: I sistemi di propulsione elettrica per navi – propulsori, azionamenti pod e unità di propulsione principale – utilizzano azionamenti a media tensione per controllare motori di propulsione di grandi dimensioni. Le navi da crociera, le metaniere, le navi di supporto offshore e le applicazioni navali rappresentano un mercato in crescita per i VFD MV progettati per soddisfare i requisiti delle società di classificazione marittima (DNV, Lloyd's Register, ABS).

Installazione e messa in servizio: cosa richiede un progetto MV VFD di successo

Un convertitore di frequenza a media tensione non è un dispositivo plug-and-play. Il lavoro meccanico, elettrico e di integrazione dei sistemi richiesto per installare e mettere in servizio un convertitore di media tensione rappresenta una parte sostanziale del costo totale del progetto ed è l'origine della maggior parte dei problemi di progetto quando non adeguatamente pianificati. Comprendere cosa richiede una corretta installazione previene gli errori comuni che causano ritardi nella messa in servizio, carenze prestazionali e problemi precoci alle apparecchiature.

Requisiti civili e meccanici

Gli involucri VFD MV sono grandi e pesanti: un tipico convertitore CHB da 2 MW con il relativo trasformatore di ingresso può pesare da 5.000 a 15.000 kg o più e richiede una sala elettrica dedicata con pavimento rinforzato, temperatura e umidità controllate e ventilazione forzata o aria condizionata per mantenere l'ambiente operativo specificato del convertitore. La maggior parte dei produttori specifica una temperatura ambiente massima di 40°C e un'umidità relativa massima del 95% senza condensa. Il trasformatore di ingresso, se separato dall'armadio del convertitore, richiede una propria assegnazione di spazio e separazione antincendio in base alle normative elettriche locali. Le porte di accesso devono essere dimensionate per il gruppo sostituibile più grande, in genere una cella di potenza completa o un avvolgimento di un trasformatore, per consentire la manutenzione senza importanti disassemblaggi delle apparecchiature adiacenti.

Progettazione e instradamento dei cavi

Il cavo di media tensione tra il trasformatore sorgente e l'ingresso del convertitore e tra l'uscita del convertitore e il motore deve essere specificato per la classe di tensione del sistema, la corrente nominale continua, le condizioni di installazione (condotto, vassoio, interramento diretto) e la lunghezza del percorso. Come notato in precedenza, i cavi motore lunghi possono causare un'amplificazione della tensione delle onde riflesse sui terminali del motore: la maggior parte dei produttori specifica le lunghezze massime dei cavi per il funzionamento senza filtri di uscita e questi limiti devono essere verificati rispetto alla lunghezza effettiva del cavo nel layout del progetto prima di finalizzare la selezione del convertitore. Tutti i cavi MT richiedono schermatura del cavo, terminazione adeguata e pratiche di messa a terra in conformità con il codice elettrico applicabile e i requisiti di installazione del produttore.

Integrazione del sistema di controllo

Gli azionamenti di media tensione sono invariabilmente integrati nei sistemi di controllo dell'impianto tramite comunicazioni digitali: Modbus RTU, Profibus, Profinet, EtherNet/IP, DeviceNet e altri protocolli industriali sono supportati dalle moderne piattaforme di azionamento. L'integrazione del sistema di controllo deve essere progettata prima della messa in servizio dell'azionamento, inclusa la definizione di tutte le sorgenti di riferimento di velocità, tutti i segnali di abilitazione e di guasto dell'azionamento, tutte le variabili di feedback del processo (velocità, corrente, potenza, codici di errore) che saranno monitorate dal sistema DCS o SCADA dell'impianto e tutti gli interblocchi di protezione che devono disinserire l'azionamento dal sistema di sicurezza del processo. La messa in servizio senza un'interfaccia del sistema di controllo completamente testata e documentata è una delle cause più comuni di avvio ritardato dell'azionamento nei progetti di grandi dimensioni.

Procedura di messa in servizio

La messa in servizio dell'azionamento MT deve essere eseguita da ingegneri qualificati con formazione specifica sulla piattaforma dell'azionamento e con adeguati dispositivi di protezione individuale e procedure di lavoro sicure per i lavori elettrici a media tensione. La sequenza di messa in servizio comprende il test della resistenza di isolamento di pre-eccitazione di tutti i cavi e del motore, la verifica della continuità e della polarità del cablaggio di controllo, la conferma della corretta rotazione di fase all'ingresso e all'uscita del convertitore, la programmazione dei parametri per far corrispondere i dati di targa del motore e i requisiti di velocità, coppia e protezione dell'applicazione, controllo della rotazione a vuoto a bassa velocità prima di collegare il carico e test di carico attraverso l'intero intervallo di velocità con verifica della regolazione della velocità, dei limiti di corrente e del funzionamento della funzione di protezione. Il test di accettazione in fabbrica (FAT) del convertitore presso la struttura del produttore prima della spedizione è una pratica standard per progetti di convertitori di media tensione di grandi dimensioni e offre l'opportunità di verificare il set completo di parametri e l'interfaccia del sistema di controllo prima che l'apparecchiatura raggiunga il sito.

Specifiche chiave da verificare prima di acquistare un VFD a media tensione

Gli azionamenti a media tensione rappresentano investimenti di capitale che vanno da diverse centinaia di migliaia a diversi milioni di dollari a seconda della potenza nominale, della topologia e degli accessori. Ottenere le specifiche subito prima dell'acquisto protegge l'investimento e garantisce che l'unità funzioni come richiesto per tutta la sua vita operativa. Le seguenti specifiche devono essere confermate per iscritto prima dell'emissione dell'ordine di acquisto.

• Valore nominale e tolleranza della tensione di ingresso: Verificare che la tensione di ingresso nominale del convertitore corrisponda alla tensione di alimentazione della struttura (2,3 kV, 3,3 kV, 4,16 kV, 6,0 kV, 6,6 kV, 11 kV o 13,8 kV sono i livelli standard) e verificare che la tolleranza della tensione di ingresso, in genere ±10% del valore nominale, sia compatibile con la variazione di tensione effettiva sul bus di distribuzione della struttura.
• Potenza motore e corrente nominale: L'azionamento deve essere dimensionato per la corrente a pieno carico del motore alla tensione ai terminali del motore. Confermare sia la corrente nominale continua che la corrente nominale di sovraccarico, in genere 110% o 150% per un periodo definito di breve durata, rispetto al profilo di carico noto del motore, comprese le condizioni di avviamento, carico di picco e rigenerativa.
• Distorsione armonica in uscita e conformità IEEE 519: Specificare il THD di corrente massimo consentito nel punto di accoppiamento comune con il sistema di distribuzione dell'impianto e confermare che il sistema di azionamento, comprese eventuali apparecchiature di mitigazione delle armoniche, raggiunga questo limite nelle condizioni operative previste. Richiedi dati campione sulla forma d'onda della corrente in ingresso da installazioni precedenti con configurazioni simili.
• Compatibilità lunghezza cavo motore: Fornire la lunghezza effettiva del cavo motore nel progetto e confermare la lunghezza massima del cavo del produttore senza filtri di uscita alla tensione operativa e al tipo di cavo proposti. Se la corsa supera il limite, specificare il tipo di filtro di uscita richiesto e ottenere la conferma della tensione combinata del convertitore di frequenza e del sistema di filtro ai terminali del motore.
• Classificazione della custodia e specifiche ambientali: Confermare la classificazione IP o NEMA dell'involucro rispetto all'ambiente di installazione. Gli ambienti interni delle camere bianche possono accettare NEMA 1 (IP20); gli ambienti industriali con polvere, umidità o atmosfera corrosiva richiedono NEMA 12 (IP54) o superiore. Gli ambienti di acque reflue, minerarie e offshore richiedono in genere una protezione ambientale aggiuntiva oltre alle classificazioni NEMA standard.
• Disposizioni di bypass e ridondanza: Per i processi critici in cui i tempi di fermo del motore sono inaccettabili, specificare la disposizione del bypass: se è necessario un contattore di bypass completo su tutta la linea, se è necessaria la capacità di trasferimento sincrono (trasferimento tra l'uscita VFD e l'alimentazione di linea senza arrestare il motore) e se il bypass della cella di potenza (specifico per la topologia CHB) fornisce un'adeguata ridondanza per il funzionamento a velocità ridotta in seguito a un guasto della cella.
• Protezione dall'arco elettrico: Gli azionamenti MT contengono energia immagazzinata nei condensatori del collegamento CC e sono alimentati dal bus a media tensione: l'energia incidente dell'arco elettrico in caso di guasto interno è potenzialmente molto elevata. Specificare la struttura dell'involucro resistente all'arco elettrico (testato secondo IEEE C37.20.7 o equivalente) per installazioni in cui l'accesso del personale durante le normali operazioni crea rischi di esposizione. Alcuni produttori offrono progetti di azionamento MV resistenti all'arco elettrico, come SC9000 EP di Eaton, destinati specificamente agli ambienti con acque reflue, miniere e petrolio e gas.
• Certificazioni e conformità agli standard: Confermare la conformità agli standard applicabili per il luogo di installazione e il settore: IEEE 519 per le armoniche, UL 508A o equivalente per la costruzione di pannelli, serie IEC 61800 per sistemi di azionamento a velocità variabile e qualsiasi standard specifico del settore (API 541/547 per motori a petrolio e gas, requisiti della società di classificazione marina per offshore/marina). La certificazione ISO 9001 dell'impianto di produzione dovrebbe costituire un requisito di base per tutti gli acquisti di azionamenti a media tensione.
• Rete di assistenza del produttore e disponibilità di pezzi di ricambio: Confermare che il produttore disponga di tecnici dell'assistenza qualificati entro un tempo di risposta commercialmente accettabile per la sede della propria struttura. Identificare i pezzi di ricambio critici (celle di alimentazione, schede di comando del cancello, processori di controllo) e verificare che siano disponibili a magazzino o con un tempo di consegna accettabile. Per località remote o internazionali, un accordo locale sui pezzi di ricambio con il produttore o un partner di assistenza qualificato riduce il rischio di tempi di inattività prolungati a seguito di un guasto di un componente.