Quindici anni fa, i convertitori di frequenza erano sistemi di avviamento molto costosi e rari, che per la maggior parte delle persone rappresentavano la cosiddetta "scatola nera" a cui dovevano essere collegati cavi di alimentazione e controllo. Oggi, i convertitori di frequenza, spesso chiamati inverter, sono il sistema più diffuso per l'avviamento e la regolazione della velocità di rotazione dei motori. La crescente esigenza di automazione dei processi industriali, l'aumento del ritmo di produzione e la sua efficienza sono i principali fattori che hanno influenzato lo sviluppo del mercato degli inverter in Polonia e nel resto del mondo.
Anche il progresso tecnologico nei componenti a semiconduttore e il loro calo di prezzo hanno giocato un ruolo importante. Attualmente, i convertitori di frequenza si trovano quasi ovunque: in impianti industriali, bar, impianti di depurazione, ristoranti, grandi magazzini e abitazioni. I primi sistemi di conversione furono creati negli anni '60, ma nonostante siano trascorsi 50 anni dal loro debutto, i principi di funzionamento di base e lo schema a blocchi in generale sono rimasti invariati.
In questo articolo ne parleremo:
- Perché i convertitori di frequenza sono diventati così popolari e così necessari in diversi settori industriali?
- Come erano in passato i sistemi di avviamento e controllo dei motori asincroni e a induzione e quali erano i loro difetti?
- Come viene regolata la velocità del motore e quali sono i 4 metodi per avviarlo?
- Imparerai anche come funziona un inverter.
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Controllo della velocità del motore
Metodi di regolazione della velocità:
- variazione di scorrimento causata dall'inclusione di una resistenza di regolazione nel circuito rotorico di un motore ad anelli. Questa regolazione presentava diversi svantaggi: mancanza di regolazione a piena velocità, elevate perdite di energia, tasso di guasto elevato e un elevato numero di resistori ed elementi di contatto, significative limitazioni di potenza e numero di avviamenti;
- variazione del numero di coppie di poli del motore. Inoltre, mancanza di regolazione completa (variazione a gradino della velocità), presenza di sistemi di commutazione;
- modifica della frequenza di alimentazione del motore (difficile da realizzare).
Quattro metodi per avviare il motore
Metodi di partenza con vantaggi e svantaggi:
- Avviamento diretto. Uno dei metodi di avviamento più comuni e uno dei più indesiderati, a causa dell'elevata corrente di spunto (in genere la corrente di avviamento è da 4 a 8 volte superiore alla corrente nominale) e dei problemi ad essa associati (sollecitazioni meccaniche, colpi d'ariete sulle pompe, vibrazioni dei nastri trasportatori, ecc.);
- Avviamento stella/triangolo. Un metodo di avviamento molto diffuso. Gli svantaggi includono: corrente di avviamento ancora elevata, bassa coppia di spunto, tasso di guasto degli elementi di contatto, doppio numero di uscite cavo. Vantaggi: limitazione della corrente di avviamento nel tempo, bassi costi di installazione.
- Avviamento con un soft starter. Come suggerisce il nome, i soft starter sono dispositivi per l'avviamento e l'arresto graduali dei motori elettrici. Purtroppo, non è possibile regolare la velocità del motore utilizzando un soft starter. La corrente di avviamento, a seconda del metodo di avviamento (tensione, regolazione della coppia in due o tre fasi) e del numero di fasi controllabili, è da 2 a 6 volte la corrente nominale. Vantaggi: aumento graduale della corrente (nessuna sollecitazione meccanica, picchi di corrente), tempo di avviamento regolabile, elevata coppia di spunto. Svantaggi: mancanza di precisione di controllo nei soft starter con due fasi controllabili, nessuna regolazione della velocità.
- Avviamento con convertitore di frequenza. Il metodo migliore per avviare il motore grazie a: corrente di avviamento molto bassa (con un'adeguata configurazione delle impostazioni, la corrente di avviamento non supera la corrente nominale), controllo completo della velocità del motore, protezione e supervisione complete del funzionamento del motore, compensazione della potenza reattiva, risparmio di energia elettrica, riduzione dei costi operativi della macchina, minimizzazione dei guasti, ecc.
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Diversi tipi di convertitori di frequenza
Numerosi problemi e difficoltà derivanti dai metodi di base per l'avviamento dei motori elettrici hanno causato e imposto il rapido e dinamico sviluppo, prima dei sistemi di avviamento graduale a tiristori (soft starter) e poi dei convertitori di frequenza. È con l'ausilio di questi dispositivi che regoliamo, proteggiamo e controlliamo al meglio i motori elettrici. I convertitori di frequenza standard vengono utilizzati per azionare motori asincroni a induzione.
Tuttavia, sul mercato sono disponibili convertitori con numerosi algoritmi di controllo, progettati per motori sincroni (PMSM - motori sincroni a magneti permanenti), motori a riluttanza o BLDC (motori DC brushless a magneti permanenti). La stragrande maggioranza del settore si concentra ancora sui motori a induzione, a causa del loro basso prezzo. Come si può facilmente vedere, l'utilizzo di convertitori di frequenza offre numerosi vantaggi. Senza dubbio, è il metodo migliore per avviare e regolare i motori. Considerando il continuo calo dei prezzi dei convertitori e il lineare aumento delle loro capacità nel tempo, la domanda di questi dispositivi continuerà a crescere nei prossimi anni.
Componenti principali dell'inverter
In ogni convertitore di frequenza , possiamo distinguere quattro blocchi componenti principali (vedi Fig. 1):
- Raddrizzatore, cioè il cosiddetto stadio di ingresso;
- Disposizione del circuito intermedio;
- L'elemento inverter vero e proprio, stadio di uscita;
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Come funziona un convertitore di frequenza?
Il compito principale dello stadio di ingresso del convertitore è quello di raddrizzare la corrente alternata prelevata da una determinata sorgente. A questo proposito, è necessario distinguere diverse tipologie di raddrizzatori: a diodo non controllato con un diverso numero di impulsi (6, 12, 18, 24 e oltre); a semi-controllo (diodo-tiristore) e completamente controllati, basati su transistor IGBT.
I progetti più comuni sono quelli basati su raddrizzatori a diodi. Questi sono ovviamente i progetti più economici, ma hanno anche il maggiore impatto sul fattore THD (fattore di contenuto armonico). Un raddrizzatore a diodi è un carico non lineare che ha un impatto molto forte sulla distorsione di corrente. Per ridurre il fattore THD al valore appropriato, è necessario utilizzare uno dei filtri THD disponibili: induttanze di ingresso, induttanze per circuito CC, filtri passivi LCL, filtri THD attivi. La tensione pulsante raddrizzata all'uscita del raddrizzatore ha un valore pari a circa 1,35 del valore efficace della tensione fase-fase della rete.
Il segnale viene quindi inviato al circuito intermedio del convertitore, che solitamente è costituito da un condensatore o da un banco di condensatori. Il circuito intermedio ha una duplice funzione: livella la tensione pulsante ricevuta dal raddrizzatore e allo stesso tempo immagazzina l'energia necessaria per azionare il motore. Molto spesso, i costruttori inseriscono anche due elementi importanti nel circuito intermedio: una bobina di induzione in corrente continua e un transistor di frenatura (chopper).
- Un induttore in corrente continua (DC) è un modo per gestire il contenuto armonico. Migliora anche significativamente il fattore di potenza.
- Un transistor di frenatura è necessario quando è necessario un arresto molto rapido di un'inerzia elevata sull'albero motore.
Durante la frenata, il motore passa al funzionamento rigenerativo. Il motore diventa un generatore che fornisce energia al convertitore. Questa energia viene immagazzinata nel condensatore, la cui capacità è limitata. Dopo aver superato il limite di tensione sul condensatore, il convertitore si disconnette dal motore con un errore di tensione troppo elevata sul condensatore. In tal caso, è necessario utilizzare il modulo di frenatura integrato (o esterno), a cui a sua volta si collega. Resistenza di frenatura . Dopo aver superato il limite di carica, il transistor trasferirà potenza alla resistenza di frenatura esterna. L'energia verrà dispersa nella resistenza sotto forma di calore e il convertitore continuerà a controllare il motore.
Dietro il circuito intermedio del convertitore, si trova l'elemento inverter vero e proprio, che trasforma la tensione continua raddrizzata in una tensione alternata di ampiezza e frequenza appropriate. Il motore è collegato direttamente all'elemento inverter. Gli elementi principali dell'inverter sono semiconduttori di potenza controllati. In passato, questi erano tiristori, successivamente, a causa del tempo di commutazione più rapido, sono stati sostituiti dai transistor IGBT (transistor bipolari a gate isolato). Il funzionamento dei semiconduttori è a due stati, da cui il termine "commutatore a transistor".
La frequenza di commutazione dei transistor raggiunge i 20 kHz (20.000,00 variazioni al secondo!). I semiconduttori vengono commutati utilizzando segnali di controllo generati nel sistema di controllo del convertitore. I segnali di controllo possono essere generati secondo diversi algoritmi e metodi. Attualmente, il metodo più comune è la modulazione PWM (modulazione di larghezza di impulso).
Questo metodo consiste nel determinare, tramite il circuito di controllo, la durata dei periodi di accensione e spegnimento delle opportune coppie di transistor. Tre rami dell'inverter (due transistor per ramo) generano otto possibili combinazioni di apertura/chiusura delle valvole a semiconduttore. In questo modo, si creano otto diversi vettori di tensione alle uscite dell'inverter (vedi Fig. 2). I rimanenti vettori intermedi si ottengono accendendo (sommando) i vettori principali selezionati per i tempi appropriati.
A seconda della frequenza di commutazione delle valvole a semiconduttore, all'uscita dell'inverter si genera una sinusoide più o meno dolce. Di solito, l'utente ha la possibilità di impostare la frequenza portante appropriata direttamente sul dispositivo. Un'impostazione troppo elevata della frequenza portante genererà troppo calore sui semiconduttori, con conseguente perdita di potenza nel convertitore (i produttori di solito forniscono grafici che mostrano la dipendenza della frequenza portante dalla potenza nelle istruzioni per l'uso). Un valore troppo basso, invece, potrebbe causare rumori nel motore.
Convertitori di frequenza - controllo scalare e vettoriale
Ogni convertitore di frequenza attualmente prodotto ha la possibilità di controllo sia scalare che vettoriale. Il controllo scalare, spesso chiamato controllo V/f (da U a f), è la modalità più semplice di controllo del motore ed è rimasta invariata dagli anni '70.
La modalità scalare si basa su un rapporto tensione/frequenza costante. Senza entrare troppo nei dettagli e senza ricorrere a calcoli matematici più complessi, un rapporto tensione/frequenza costante garantisce che nel motore venga generato il flusso magnetico nominale. Di conseguenza, è possibile raggiungere la coppia massima. Purtroppo, il controllo scalare presenta i suoi svantaggi. A basse frequenze, la coppia è molto bassa e spesso troppo bassa per funzionare con grandi inerzie. Pertanto, il controllo scalare viene utilizzato principalmente per carichi a coppia variabile, come pompe o ventilatori. Quando è necessario operare con carichi a coppia costante o con grandi inerzie che richiedono un'elevata coppia di spunto, è consigliabile selezionare il controllo vettoriale (descritto in precedenza come modulazione PWM con controllo vettoriale della tensione).
Controllo vettoriale è più sofisticato. Spesso, per utilizzare questo metodo di controllo, è necessario fornire prima tutti i dati nominali del motore, come: corrente, tensione, potenza, numero di giri, numero di poli, scorrimento, fattore di potenza. Successivamente, il convertitore esegue le cosiddette operazioni di autotuning del motore, ovvero stima e calcola automaticamente i dati rimanenti del motore con e senza rotazione (resistenza e induttanza degli avvolgimenti, costante di tempo del rotore e molti altri).
Nel controllo vettoriale, il convertitore utilizza un modello matematico del motore, implementato nel processore di segnale. Per questo motivo è fondamentale salvare sempre tutti i dati del motore nel convertitore (maggiore precisione, migliore controllo del motore) ed eseguire periodicamente l'autotuning (i parametri del motore cambiano nel tempo e al variare delle condizioni ambientali).