Spiegazione dell'azionamento a frequenza variabile: come funziona e quando ne hai effettivamente bisogno

Cosa fa realmente un azionamento a frequenza variabile

Un azionamento a frequenza variabile (VFD) è un controller elettronico che regola la velocità di un motore elettrico CA variando la frequenza e la tensione dell'alimentazione ad esso fornita. Invece di far funzionare un motore a una velocità fissa determinata dalla frequenza di linea – tipicamente 50 Hz o 60 Hz a seconda del paese – un VFD consente al motore di funzionare esattamente alla velocità richiesta dall’applicazione in un dato momento. Questa capacità apparentemente semplice ha profonde implicazioni per il consumo energetico, l’usura meccanica, il controllo dei processi e la flessibilità operativa praticamente in tutti i settori che utilizzano motori elettrici.

Per capire perché questo è importante, consideriamo una pompa che muove un fluido attraverso un tubo. Un motore che funziona a velocità massima fissa eroga il flusso massimo indipendentemente dal fatto che il flusso massimo sia effettivamente necessario. Storicamente, l’unico modo per ridurre il flusso era chiudere parzialmente una valvola, sprecando l’energia ancora consumata per spingere il fluido contro la restrizione. Un VFD risolve questo problema semplicemente rallentando il motore quando è richiesta meno potenza. Perché il consumo di energia nei carichi centrifughi come pompe e ventilatori segue la legge del cubo, riducendo la velocità del motore di appena Il 20% riduce il consumo energetico di circa il 49% . Questa relazione è il motivo principale per cui i VFD generano ritorni sull’investimento così rapidi in applicazioni a carico variabile.

I VFD sono conosciuti anche con molti altri nomi a seconda del settore e della regione: azionamenti a velocità variabile (VSD) , convertitori di frequenza (AFD) , azionamenti con inverter , e Azionamenti CA si riferiscono tutti essenzialmente alla stessa tecnologia. In alcuni contesti, il termine "inverter" viene utilizzato in modo specifico, in riferimento alla fase finale del processo di conversione di potenza interna del VFD.

Come funziona internamente un VFD: il processo di conversione della potenza in tre fasi

Capire cosa succede all'interno di a azionamento a frequenza variabile chiarisce perché funziona così e perché esistono determinati requisiti di installazione e protezione. Il processo di conversione avviene in tre fasi distinte: raddrizzamento, filtraggio del bus CC e inversione.

Fase 1: Il raddrizzatore

L'alimentazione CA in ingresso dall'alimentatore, sia monofase che trifase, entra per prima nella sezione del raddrizzatore. Il raddrizzatore converte la tensione CA in tensione CC utilizzando un ponte a diodi o, negli azionamenti più avanzati, un insieme di tiristori controllati o IGBT (transistor bipolari a gate isolato). Un raddrizzatore a diodi standard a sei impulsi è la configurazione più comune nei VFD industriali. L'uscita del raddrizzatore è una tensione CC pulsante che porta ancora una significativa componente di ondulazione CA.

Fase 2: il bus DC

La corrente continua pulsante proveniente dal raddrizzatore passa attraverso un bus CC, essenzialmente un banco di grandi condensatori e talvolta induttori, che uniforma la tensione a un livello CC stabile. Questo bus CC intermedio è in genere a circa 1,35 volte la tensione RMS linea-linea in ingresso : circa 650–700 V CC per un'alimentazione a 480 V CA o 270–310 V CC per un'alimentazione a 230 V CA. Il bus CC funge anche da buffer di accumulo dell'energia, assorbendo l'energia rigenerativa prodotta quando il motore decelera. Negli azionamenti senza resistore di frenatura o front-end rigenerativo, questa energia deve essere dissipata, motivo per cui i resistori di frenatura sono necessari in applicazioni con carichi ad alta inerzia che si arrestano frequentemente.

Fase 3: L'Invertitore

La sezione inverter riconverte la tensione CC stabile in un'uscita CA sintetica con frequenza e ampiezza variabili. I moderni VFD ottengono ciò utilizzando transistor di commutazione IGBT controllati dalla modulazione di larghezza di impulso (PWM). Gli IGBT si accendono e si spengono ad alta frequenza, in genere Da 2 a 16kHz — creando una serie di impulsi la cui ampiezza varia secondo uno schema che, una volta integrato nel tempo, produce una forma d'onda sinusoidale della frequenza e della tensione desiderate. Regolando il modello PWM, l'azionamento può produrre frequenze di uscita da quasi zero fino a 400 Hz o più, corrispondenti a velocità del motore da sostanzialmente fermo a diverse volte la velocità base. L'induttanza del motore agisce come un filtro naturale, convertendo il treno di impulsi PWM in un flusso di corrente sinusoidale regolare attraverso gli avvolgimenti del motore.

Tipi di azionamenti a frequenza variabile e dove ciascuno viene utilizzato

Non tutti i VFD sono progettati allo stesso modo. Diverse topologie di unità sono ottimizzate per requisiti applicativi, gamme di potenza e ambienti operativi specifici. La selezione del tipo sbagliato per l'applicazione crea problemi che non possono essere corretti solo attraverso la regolazione dei parametri.

Azionamenti con inverter con sorgente di tensione (VSI).

Le unità VSI, che includono la stragrande maggioranza dei VFD per uso generale venduti oggi, regolano la tensione sul bus CC e utilizzano PWM per generare un'uscita CA a frequenza variabile. Sono versatili, economici e disponibili in una gamma di potenze che va da cavalli frazionari fino a diversi megawatt. Gli azionamenti VSI sono adatti per la maggior parte delle applicazioni con pompe, ventole, nastri trasportatori e compressori. Il loro limite principale è che producono un'uscita non sinusoidale che può causare un ulteriore riscaldamento negli avvolgimenti del motore, particolarmente rilevante per i motori più vecchi non progettati con valori di servizio dell'inverter.

Azionamenti con inverter a sorgente di corrente (CSI).

Gli azionamenti CSI regolano la corrente anziché la tensione sul bus CC. Sono intrinsecamente capaci di frenata rigenerativa, restituendo l’energia di frenata alla rete di alimentazione, senza hardware aggiuntivo. Le unità CSI vengono generalmente utilizzate nelle applicazioni ad alta potenza di cui sopra 500 chilowatt , come compressori di grandi dimensioni, argani da miniera e mulini industriali, dove la loro capacità di gestire correnti motore molto elevate e di rigenerare energia giustifica economicamente il loro costo più elevato e il maggiore ingombro fisico.

Azionamenti con controllo diretto della coppia (DTC).

Il DTC è un algoritmo di controllo piuttosto che una topologia hardware distinta, ma rappresenta una distinzione di categoria significativa nella selezione dell'azionamento. Invece di controllare la velocità del motore regolando la frequenza e la tensione di uscita attraverso un modello PWM fisso, gli azionamenti DTC stimano continuamente il flusso e la coppia del motore in tempo reale e regolano direttamente la commutazione dell'inverter per controllare queste quantità. Il risultato è una risposta di coppia estremamente rapida: l'implementazione DTC di ABB raggiunge tempi di risposta di coppia inferiori 2 millisecondi — e un controllo accurato della velocità senza la necessità di un encoder sull'albero motore. Gli azionamenti DTC vengono utilizzati in applicazioni impegnative, tra cui macchine per la carta, gru e apparecchiature di avvolgimento in cui la precisione della coppia e la risposta dinamica sono fondamentali.

VFD rigenerativi

I VFD standard dissipano l'energia di frenatura sotto forma di calore attraverso un resistore di frenatura. Gli azionamenti rigenerativi utilizzano un raddrizzatore front-end attivo che può restituire questa energia alla rete di alimentazione come potenza CA utilizzabile. Nelle applicazioni in cui il motore decelera frequentemente carichi pesanti – ascensori, banchi prova dinamometrici, trasportatori in discesa – l’energia che verrebbe sprecata sotto forma di calore può invece rappresentare Dal 15 al 40% del consumo energetico totale della trasmissione , rendendo gli azionamenti rigenerativi economicamente interessanti nonostante il loro costo iniziale più elevato.

Applicazioni del mondo reale: dove gli azionamenti a velocità variabile offrono il massimo valore

I VFD sono installati in una vasta gamma di settori e applicazioni, ma il loro valore non è uniforme in tutti. I casi più efficaci per l'implementazione del VFD condividono caratteristiche specifiche: domanda di carico variabile, elevate ore di funzionamento annuali e profili di carico centrifugo o a coppia variabile.

Sistemi HVAC: ventilatori e pompe

I sistemi di riscaldamento, ventilazione e condizionamento dell'aria rappresentano il singolo segmento di applicazione più grande per i VFD a livello globale. I ventilatori dell'aria di mandata, i ventilatori dell'aria di ritorno, le pompe dell'acqua refrigerata, le pompe dell'acqua del condensatore e i ventilatori delle torri di raffreddamento funzionano tutti come applicazioni centrifughe a carico variabile. Il sistema HVAC di un edificio commerciale raramente richiede la piena capacità di progettazione; il funzionamento a pieno carico può rappresentare solo Dall'1 al 5% delle ore di funzionamento annuali . I VFD su ventilatori e pompe HVAC in genere riducono il consumo energetico annuale di tali motori dal 30 al 60% rispetto al funzionamento a velocità fissa con strozzamento tramite serranda o valvola. I periodi di ammortamento negli ammodernamenti HVAC commerciali sono generalmente compresi tra 1,5 e 3 anni.

Trattamento delle acque e delle acque reflue

I sistemi di distribuzione idrica municipale utilizzano VFD sulle stazioni di pompaggio booster per mantenere una pressione costante del sistema indipendentemente dalle fluttuazioni della domanda durante il giorno. Senza azionamenti, le pompe a velocità fissa si accendono e si spengono per mantenere la pressione, creando colpi d'ariete, usura accelerata delle valvole e transitori di pressione che sollecitano l'infrastruttura delle tubazioni. Una pompa controllata da VFD che funziona continuamente a velocità variabile mantiene una pressione più stabile, elimina i colpi d'ariete e riduce gli avvii del motore da potenzialmente centinaia al giorno a un ciclo di funzionamento continuo a bassa velocità. Anche i ventilatori per l'aerazione delle acque reflue traggono notevoli vantaggi: l'aerazione rappresenta circa Dal 50 al 60% del bilancio energetico totale di un impianto di trattamento delle acque reflue , e VFD control of blowers to match dissolved oxygen demand rather than running at fixed output generates substantial utility savings.

Industrie manifatturiere e di processo

Nella produzione, i VFD forniscono un controllo preciso della velocità per trasportatori, miscelatori, estrusori e mandrini di macchine utensili. Un trasportatore della linea di confezionamento che funziona ad una velocità perfettamente adattata all'output del processo a monte evita l'accumulo di prodotto e riduce lo stress meccanico sulla struttura del trasportatore. Le viti dell'estrusore controllate da VFD consentono ai processori di regolare le velocità di uscita esatte e rispondere alle variazioni di viscosità del materiale in tempo reale. Nell'industria tessile, i macchinari per la lavorazione delle fibre richiedono il coordinamento della velocità su più assi: i VFD collegati a un sistema di controllo di supervisione mantengono i rapporti di velocità precisi che determinano la tensione e la qualità delle fibre.

Estrazione e oleodotto di petrolio e gas

Le pompe sommergibili elettriche (ESP) utilizzate nella produzione di pozzi petroliferi funzionano in condizioni altamente variabili poiché la pressione del serbatoio e la composizione del fluido cambiano nel corso della vita produttiva del pozzo. Il controllo VFD degli ESP consente di ottimizzare la produzione in modo continuo anziché accettare un'uscita a velocità fissa che potrebbe sovra o sottopompare rispetto all'afflusso del serbatoio. Nelle stazioni di compressione delle tubazioni, gli azionamenti a velocità variabile sui compressori di gas consentono di mantenere con precisione la pressione di scarico al variare delle condizioni di ingresso e delle richieste di flusso, sostituendo la strozzatura meccanica che spreca energia di compressione e aumenta i costi di manutenzione delle valvole.

Calcoli del risparmio energetico: come stimare il ROI del VFD prima dell'acquisto

Il business case per un investimento in VFD dovrebbe essere quantificato prima dell’acquisto, non scontato. Il calcolo è semplice per i carichi centrifughi e richiede solo pochi valori noti: potenza nominale del motore, ore di funzionamento annuali, profilo di carico medio e costo locale dell'elettricità.

Per una pompa o un ventilatore centrifugo, le leggi di affinità descrivono precisamente la relazione tra velocità e consumo di energia:

• Il flusso varia linearmente con velocità: riducendo la velocità del 20% si riduce la portata del 20%.
• La pressione varia con il quadrato di velocità: riducendo la velocità del 20% si riduce la pressione del 36%.
• La potenza varia con cubo di velocità: riducendo la velocità del 20% si riduce il consumo energetico di circa il 49%.

Come esempio pratico: il motore di una pompa centrifuga da 75 kW che funziona per 6.000 ore all'anno a una velocità media dell'80% consuma circa 75 × (0,8)³ × 6.000 = 230.400 kWh all'anno , rispetto a 75 × 6.000 = 450.000 kWh all'anno a velocità massima fissa. Con una tariffa elettrica di 0,10 $/kWh, il risparmio annuo è pari a circa $ 21.960 . Se l’installazione del VFD costa 8.000 dollari, il semplice periodo di ammortamento è inferiore a 4,5 mesi: un rendimento che quasi nessun altro investimento di capitale può eguagliare in contesti industriali.

Per carichi a coppia costante come trasportatori e pompe volumetriche, la relazione cubica non si applica: la potenza cresce in modo più lineare con la velocità. I VFD continuano a fornire valore in queste applicazioni grazie all'avvio graduale, alla precisione del processo e alla ridotta usura meccanica, ma il calcolo del risparmio energetico deve riflettere le effettive caratteristiche del carico anziché assumere un comportamento centrifugo.

Parametri chiave da specificare quando si seleziona un VFD

La scelta di un convertitore di frequenza non si limita a soddisfare i kilowatt o la potenza nominale del motore. Un'unità specificata correttamente per l'applicazione funzionerà in modo affidabile per decenni; uno specificato in modo errato potrebbe guastarsi prematuramente, scattare per guasti durante il normale funzionamento o causare danni al motore. I seguenti parametri devono essere confermati prima di ordinare.

Valore nominale di corrente rispetto a valore nominale di potenza

Dimensionare sempre un VFD in base al suo corrente nominale di uscita in amp , non semplicemente in kilowatt o cavalli. L'amperaggio a pieno carico (FLA) sulla targa del motore deve essere pari o inferiore alla corrente nominale di uscita continua del VFD. Per le applicazioni con elevate richieste di coppia di avviamento o frequenti cicli di accelerazione, osservare la corrente nominale di sovraccarico del convertitore, generalmente espressa come percentuale della corrente nominale continua per una durata definita, come ad esempio 150% per 60 secondi . Le applicazioni che richiedono una coppia di avviamento molto elevata (frantoi, trasportatori caricati) potrebbero richiedere un convertitore classificato per cicli di lavoro gravosi con sovraccarico del 150–200% anziché per ciclo di lavoro normale.

Tensione e fase in ingresso

Verificare la tensione di alimentazione disponibile e il conteggio delle fasi nel punto di installazione: 120 V monofase, 230 V monofase, 230 V trifase, 460/480 V trifase o 575/600 V trifase sono le più comuni nelle installazioni nordamericane. Le installazioni europee e asiatiche utilizzano prevalentemente 400 V o 415 V trifase. Gli azionamenti con ingresso monofase sono disponibili fino a ca 4 kW (5 CV) — al di sopra di questa potenza è necessaria l'alimentazione trifase. Il funzionamento di un VFD trifase da un'alimentazione monofase collegando solo due terminali di ingresso è possibile come misura temporanea, ma comporta un'ondulazione significativa del bus CC, una capacità di uscita ridotta e un degrado accelerato dei condensatori: non è una pratica consigliata a lungo termine.

Classificazione e ambiente della custodia

I valori nominali della custodia del VFD devono corrispondere all'ambiente di installazione. Le custodie IP20 o NEMA 1 (ventilate, salvadita) sono adatte per locali elettrici puliti e climatizzati. IP54 o NEMA 12 (a tenuta di polvere, resistente agli schizzi) è necessario per pavimenti industriali con contaminanti presenti nell'aria. IP55 o NEMA 4 (resistente al lavaggio) è richiesto nelle applicazioni di trasformazione alimentare, farmaceutiche e per esterni in cui l'unità può essere esposta a spruzzi d'acqua diretti. L'installazione di un'unità IP20 in un ambiente polveroso o umido è una delle cause più comuni di guasto prematuro dell'unità: la differenza di costo tra le classificazioni dell'involucro è trascurabile rispetto al costo della sostituzione dell'unità e ai tempi di fermo della produzione.

Lunghezza del cavo motore e filtro di uscita

I cavi motore lunghi tra un VFD e il motore creano fenomeni di riflessione della tensione sui terminali del motore: gli impulsi di tensione PWM in rapido aumento si riflettono sulla discontinuità dell'impedenza del cavo-motore e possono produrre tensioni di picco sui terminali del motore che superano notevolmente la tensione del bus CC del convertitore. Come linea guida generale, quando la lunghezza del cavo motore supera 50 metri (circa 150 piedi) , è necessario installare un filtro du/dt in uscita o un filtro sinusoidale tra il convertitore e il motore per proteggere l'isolamento dell'avvolgimento del motore. Ciò è particolarmente importante per i motori più vecchi non classificati per il servizio con inverter, che hanno un isolamento dell'avvolgimento più sottile rispetto ai moderni modelli con inverter.

Problemi comuni del VFD e come risolverli

Anche le unità ben specificate e installate correttamente incontrano problemi operativi. La maggior parte dei guasti sono ripetibili e diagnosticabili mediante il registro cronologico dei guasti del convertitore, combinato con la conoscenza delle condizioni dell'applicazione al momento del guasto.

Guasti da sovracorrente

Gli interventi per sovracorrente si verificano quando il motore assorbe più corrente rispetto alla soglia di sovracorrente del convertitore, generalmente impostata al 150–200% della corrente nominale. Le cause più comuni sono tempi di rampa di accelerazione impostati troppo brevi per l'inerzia del carico collegato, inceppamenti meccanici o inceppamenti nell'apparecchiatura azionata, parametri motore errati programmati nell'azionamento o un motore guasto con spire di avvolgimento in cortocircuito che assorbono corrente in eccesso. Controllare la registrazione cronologica del registro guasti rispetto alle condizioni del processo, verificare le impostazioni della rampa di accelerazione rispetto ai requisiti di inerzia effettivi del carico e verificare che i parametri sulla targa del motore siano inseriti correttamente nella configurazione dell'azionamento.

Guasti di sovratensione in decelerazione

Quando un motore decelera, agisce come un generatore, reimmettendo energia nel bus CC del VFD. Se la velocità di decelerazione è più veloce di quanto i condensatori del bus CC possono assorbire o la resistenza di frenatura può dissiparsi, la tensione del bus CC aumenta finché il convertitore non scatta per sovratensione. La soluzione consiste solitamente nell'estendere il tempo della rampa di decelerazione, verificare che un resistore di frenatura di dimensioni adeguate sia installato e funzionante o passare a un azionamento rigenerativo se la frequente decelerazione rapida di carichi ad alta inerzia è un requisito intrinseco dell'applicazione.

Errori di sovratemperatura

I VFD generano calore dalle perdite di commutazione nello stadio dell'inverter IGBT, in genere Dal 3 al 5% della potenza nominale come calore. Questo calore deve essere rimosso dal sistema di raffreddamento dell'unità, che consiste di dissipatori di calore interni e ventole di raffreddamento ad aria forzata. Gli errori di sovratemperatura indicano che la temperatura interna dell'unità ha superato la soglia di funzionamento sicuro. Le cause più comuni includono prese d'aria bloccate o alette del dissipatore di calore intasate di polvere, temperatura ambiente nel contenitore che supera il valore massimo nominale dell'unità (tipicamente 40–50°C), ventilazione insufficiente in un contenitore sigillato o una ventola di raffreddamento interna guasta. La pulizia regolare delle alette del dissipatore di calore e la verifica dell'adeguatezza della ventilazione dell'armadio prevengono la maggior parte dei guasti dovuti a sovratemperatura.

Interventi per guasto a terra

Gli interventi per guasto a terra indicano che la corrente fluisce da una o più fasi del motore a terra, più comunemente attraverso un isolamento degradato dell'avvolgimento del motore o un cavo motore danneggiato. Poiché l'uscita del VFD contiene componenti PWM ad alta frequenza, la corrente di dispersione attraverso la capacità del cavo verso terra è intrinseca e aumenta con la lunghezza del cavo. I convertitori di frequenza impostati con soglie di guasto a terra molto sensibili possono scattare in modo inquietante a causa di questa corrente di dispersione in installazioni con cavi motore lunghi. Se un intervento per guasto a terra non può essere correlato all'effettivo guasto di isolamento, controllare l'impostazione della sensibilità del guasto a terra del convertitore e verificare la resistenza di isolamento del motore con un megaohmmetro (minimo 1 MΩ a 500 V CC è una soglia di accettazione standard per i motori in servizio VFD).

Migliori pratiche di installazione VFD che prevengono la maggior parte dei problemi sul campo

La maggior parte dei problemi sul campo dei VFD (interventi fastidiosi, guasti prematuri, interferenze con apparecchiature vicine) sono riconducibili a errori di installazione piuttosto che a difetti di azionamento. Il rispetto delle linee guida di installazione stabilite elimina la maggior parte di questi problemi prima che si verifichino.

• Utilizzare un cavo motore schermato. Il cavo schermato con la schermatura messa a terra su entrambe le estremità contiene le correnti di modo comune ad alta frequenza generate dalla commutazione PWM e impedisce loro di irradiarsi nel cablaggio di segnale o nei sistemi di controllo adiacenti. Il cavo motore non schermato nelle installazioni VFD è la causa più comune di disturbi elettromagnetici (EMI) negli ambienti industriali.
• Separare i cavi del motore dai cavi di controllo e di segnale. Instradare i cavi del motore in un condotto o un portacavi dedicato, fisicamente separato dal cablaggio della strumentazione, dai cavi dei segnali analogici e dai cavi del bus di comunicazione. Una separazione di almeno 300 mm (12 pollici) è il minimo; l'attraversamento a 90 gradi è accettabile laddove non è possibile mantenere la separazione fisica.
• Installare reattanze di linea o filtri di ingresso su azionamenti di grandi dimensioni. Gli azionamenti superiori a circa 15 kW assorbono corrente non sinusoidale dall'alimentazione che introduce distorsione armonica nel sistema di alimentazione, causando potenzialmente il surriscaldamento di trasformatori e condensatori e interferendo con altre apparecchiature sensibili. Una reattanza di linea con impedenza del 3–5% sull'ingresso del convertitore riduce sostanzialmente l'iniezione armonica e fornisce inoltre protezione contro i transitori della tensione di alimentazione.
• Mantenere uno spazio adeguato attorno all'unità per garantire il flusso d'aria. La maggior parte dei produttori di unità specificano gli spazi minimi sopra, sotto e ai lati dell'unità per una corretta gestione termica. Ignorare queste distanze in un layout di pannelli affollato crea punti caldi che accelerano l'invecchiamento dei condensatori e riducono l'affidabilità degli IGBT.
• Non installare contattori di isolamento tra l'uscita VFD e il motore che si aprono sotto carico. L'apertura di un contattore mentre il VFD fornisce corrente crea un arco e una sovratensione ad alta tensione che possono distruggere istantaneamente gli IGBT di uscita. Se è necessario l'isolamento del motore per motivi di sicurezza, comandare sempre al convertitore di raggiungere la velocità zero prima di aprire qualsiasi contattore sul lato di uscita.
• Se possibile, mettere in servizio il convertitore con il motore disaccoppiato dal carico. Il funzionamento iniziale del motore da solo consente la verifica dei parametri e la conferma del senso di rotazione senza il rischio di danneggiare l'apparecchiatura azionata se la rotazione non è corretta o se un guasto provoca un arresto incontrollato.