Il ruolo cruciale dei VFD di media tensione nell'efficienza industriale e nel controllo dei processi
Azionamenti a frequenza variabile in media tensione (VFD MV) sono dispositivi elettronici di potenza essenziali utilizzati per controllare la velocità di rotazione, la coppia e la direzione dei motori CA che funzionano a tensioni generalmente comprese tra 1 kV e 15 kV. A differenza dei VFD a bassa tensione, le unità MV gestiscono requisiti di potenza significativamente più elevati, che spesso si estendono da centinaia di kilowatt fino a oltre 100 megawatt, rendendoli componenti critici in applicazioni industriali e di pubblica utilità su larga scala.
Il vantaggio principale dell'implementazione dei VFD MV è il notevole risparmio energetico ottenuto adattando con precisione la velocità del motore al carico richiesto, in particolare nelle applicazioni a coppia variabile come pompe e ventilatori. Inoltre, offrono un controllo di processo superiore, riducono lo stress meccanico durante l'avvio del motore e forniscono preziose funzionalità di qualità dell'energia come la correzione del fattore di potenza e l'attenuazione delle armoniche.
Topologie avanzate e progettazione architettonica dei VFD MV
L'architettura interna dei VFD MV è notevolmente più diversificata e complessa rispetto alle controparti a bassa tensione a causa della necessità di gestire tensioni elevate e mitigare la distorsione armonica. Gli azionamenti MV generalmente utilizzano un design a tre stadi: un convertitore (raddrizzatore) per trasformare la corrente alternata in corrente continua, un collegamento CC per l'accumulo e il livellamento dell'energia e un inverter per riconvertire la corrente continua in potenza CA a frequenza variabile per il motore.
Topologie di inverter multilivello per una migliore qualità dell'output
Per produrre una forma d'onda di uscita più sinusoidale e "adatta al motore" e limitare il tempo di aumento della tensione ( ) che può danneggiare l'isolamento del motore, i VFD MV utilizzano in genere topologie di inverter multilivello. Questi progetti sintetizzano la tensione di uscita CA in più fasi (livelli) anziché due, come avviene comunemente negli azionamenti a bassa tensione. Due importanti topologie multilivello includono:
- Ponte H a cascata (CHB): questa popolare topologia di sorgente di tensione utilizza più celle a ponte H a bassa tensione collegate in serie per fase. Ciascuna cella dispone del proprio raddrizzatore di ingresso e l'uscita combinata fornisce una forma d'onda a più gradini di alta qualità. Il CHB richiede spesso un complesso trasformatore di ingresso a sfasamento multi-avvolgimento, che in genere è integrato nel pacchetto convertitore.
- Punto neutro bloccato (NPC): la topologia NPC a 3 livelli è ben consolidata e utilizza diodi o interruttori attivi per bloccare la tensione di uscita su un punto neutro, creando tre livelli di tensione. Offre un design compatto ed è adatto per tensioni fino a circa 4,16 kV. Vengono utilizzate anche varianti avanzate come Active Neutral Point Clamped (ANPC) o NPC di livello superiore.
Architetture di inverter con sorgente di corrente (CSI) e inverter con sorgente di tensione (VSI).
I VFD MV possono anche essere ampiamente classificati in base al componente del collegamento CC:
- Convertitore di tensione (VSI): questo è l'approccio più moderno e ampiamente utilizzato, che impiega condensatori nel collegamento CC per immagazzinare e regolare una tensione CC costante. Gli azionamenti VSI utilizzano IGBT nella sezione inverter e sono noti per le buone prestazioni dinamiche. Le topologie multilivello come CHB e NPC sono varianti VSI.
- Current Source Inverter (CSI): una tecnologia matura che utilizza un grande induttore nel collegamento CC per mantenere una corrente CC costante. Gli azionamenti CSI utilizzano spesso tiristori Gate Turn-Off (GTO) o dispositivi più moderni come SGCT (Symmetric Gate Commutated Thyristors) nell'inverter. Sono robusti e frequentemente utilizzati in applicazioni di potenza molto grande o con motori sincroni.
Applicazioni critiche in settori chiave
La robustezza, l'elevata capacità di potenza e il controllo preciso offerti dai VFD MV li rendono indispensabili in diversi settori esigenti.
La tabella seguente riassume le comuni applicazioni VFD MV e i vantaggi di controllo del processo che offrono:
| Industria | Applicazione tipica | Vantaggio operativo chiave |
| Petrolio e gas | Compressori (alternativi e centrifughi), Pompe | Regolazione precisa del flusso e della pressione, avviamento graduale ed efficienza energetica. |
| Miniere e cemento | Frantoi, trasportatori, mulini (a sfere e Sag) | Coppia di spunto elevata, controllo della velocità per una frantumazione/macinazione ottimizzata e stress meccanico ridotto. |
| Utenze (acqua/acque reflue) | Pompe ad alta portata, soffianti | Controllo ottimizzato del flusso e del livello del fluido, notevole risparmio energetico grazie ai carichi di coppia variabili. |
| Generazione di energia | Pompe di alimentazione caldaia, ventilatori ID/FD | Miglioramento dell'efficienza della caldaia, controllo della combustione e riduzione del consumo di energia ausiliaria. |
Considerazioni sulla mitigazione armonica e sulla qualità dell'energia
Una considerazione tecnica significativa per i VFD MV è la gestione della distorsione armonica, che può avere un impatto negativo sulla rete elettrica e sulle altre apparecchiature collegate. I progetti VFD MV risolvono intrinsecamente questo problema attraverso le loro configurazioni multi-impulso e multi-livello.
La sezione di ingresso di un VFD MV utilizza tipicamente un raddrizzatore a diodi multi-impulso (ad esempio, 18 o 24 impulsi) accoppiato con un trasformatore di sfasamento. L'aumento del conteggio degli impulsi riduce al minimo l'entità delle armoniche di ordine inferiore reimmesse nella linea di rete. Inoltre, alcuni azionamenti moderni utilizzano Active Front End (AFE), che sostituiscono i raddrizzatori passivi con interruttori attivi (IGBT). Gli AFE sono essenzialmente un secondo inverter che può:
- Controlla ed elimina attivamente la distorsione armonica, ottenendo un fattore di potenza in ingresso vicino all'unità (vicino a 1,0).
- Consentire la frenatura rigenerativa, in cui l'energia cinetica del motore viene reimmessa nella linea elettrica, una caratteristica fondamentale per carichi come gru e trasportatori in discesa.
L'implementazione dei VFD MV richiede un'attenta progettazione e coordinamento a livello di sistema per garantire la conformità agli standard dei servizi pubblici (come IEEE 519) e per massimizzare l'affidabilità del sistema e i vantaggi operativi.
