Variatore di frequenza - Variable-frequency drive

Piccolo azionamento a frequenza variabile

Telaio del VFD sopra (coperchio rimosso)

Un azionamento a frequenza variabile ( VFD ) o un azionamento a frequenza regolabile ( AFD ), un azionamento a tensione/frequenza variabile ( VVVF ) , un azionamento a velocità variabile ( VSD ), un azionamento CA , un microazionamento o un inverter è un tipo di azionamento del motore utilizzato nei sistemi di azionamento elettromeccanici per controllare la velocità e la coppia del motore CA variando la frequenza e la tensione di ingresso del motore .

I VFD sono utilizzati in applicazioni che vanno dai piccoli elettrodomestici ai grandi compressori. Circa il 25% dell'energia elettrica mondiale viene consumata dai motori elettrici nelle applicazioni industriali. I sistemi che utilizzano i VFD possono essere più efficienti di quelli che utilizzano il controllo della strozzatura del flusso del fluido, come nei sistemi con pompe e controllo della serranda per i ventilatori. Tuttavia, la penetrazione del mercato globale per tutte le applicazioni dei VFD è relativamente ridotta.

Negli ultimi quattro decenni, la tecnologia dell'elettronica di potenza ha ridotto i costi e le dimensioni dei VFD e ha migliorato le prestazioni grazie ai progressi nei dispositivi di commutazione dei semiconduttori, nelle topologie di azionamento, nelle tecniche di simulazione e controllo e nell'hardware e software di controllo.

I VFD sono realizzati in diverse topologie AC-AC e DC-AC a bassa e media tensione .

Descrizione e funzionamento del sistema

Sistema VFD

Un azionamento a frequenza variabile è un dispositivo utilizzato in un sistema di azionamento costituito dai tre sottosistemi principali seguenti: motore CA, gruppo di controllo dell'azionamento principale e interfaccia azionamento/operatore.

motore a corrente alternata

Il motore elettrico CA utilizzato in un sistema VFD è solitamente un motore a induzione trifase . Alcuni tipi di motori monofase o sincroni possono essere vantaggiosi in alcune situazioni, ma generalmente si preferiscono motori asincroni trifase come i più economici. Vengono spesso utilizzati motori progettati per il funzionamento a velocità fissa. Le sollecitazioni ad alta tensione imposte ai motori a induzione forniti da VFD richiedono che tali motori siano progettati per un servizio alimentato da inverter per scopi definiti in conformità con i requisiti della parte 31 dello standard NEMA MG-1.

Controllore

Il controller VFD è un sistema di conversione dell'elettronica di potenza a stato solido costituito da tre sottosistemi distinti: un convertitore a ponte raddrizzatore , un collegamento in corrente continua (CC) e un inverter. I convertitori di frequenza con tensione di alimentazione (VSI) (vedere la sottosezione "Topologie generiche" di seguito) sono di gran lunga i tipi di convertitori più comuni. La maggior parte degli azionamenti sono azionamenti AC-AC in quanto convertono l'ingresso della linea AC in uscita dell'inverter AC. Tuttavia, in alcune applicazioni come il bus CC comune o le applicazioni solari , gli azionamenti sono configurati come azionamenti CC-CA. Il convertitore raddrizzatore di base per l'unità VSI è configurato come un ponte a diodi trifase, sei impulsi e a onda intera . In un convertitore di frequenza VSI, il collegamento CC è costituito da un condensatore che attenua l' ondulazione dell'uscita CC del convertitore e fornisce un ingresso rigido all'inverter. Questa tensione CC filtrata viene convertita in un'uscita di tensione CA quasi sinusoidale utilizzando gli elementi di commutazione attivi dell'inverter. Gli inverter VSI forniscono un fattore di potenza più elevato e una distorsione armonica inferiore rispetto agli inverter con sorgente di corrente a controllo di fase (CSI) e agli inverter a commutazione di carico (LCI) (vedere la sottosezione "Topologie generiche" di seguito). Il controller del convertitore può essere configurato anche come convertitore di fase con ingresso convertitore monofase e uscita inverter trifase.

Negli ultimi sei decenni, i progressi dei controller hanno sfruttato gli aumenti drammatici dei valori nominali di tensione e corrente e della frequenza di commutazione dei dispositivi di alimentazione a stato solido. Introdotto nel 1983, il transistor bipolare a gate isolato (IGBT) negli ultimi due decenni ha dominato i VFD come dispositivo di commutazione dell'inverter.

Nelle applicazioni a coppia variabile adatte per il controllo dell'azionamento Volt-per-Hertz (V/Hz), le caratteristiche del motore CA richiedono che l'ampiezza della tensione dell'uscita dell'inverter al motore sia regolata in modo che corrisponda alla coppia di carico richiesta in una relazione V/Hz lineare . Ad esempio, per i motori a 460 V, 60 Hz, questa relazione lineare V/Hz è 460/60 = 7,67 V/Hz. Sebbene sia adatto in applicazioni ad ampio raggio, il controllo V/Hz non è ottimale nelle applicazioni ad alte prestazioni che richiedono bassa velocità o requisiti di regolazione dinamica della velocità, posizionamento e inversione di carico. Alcuni convertitori di frequenza con controllo V/Hz possono anche funzionare in modalità V/Hz quadratica o possono anche essere programmati per adattarsi a percorsi V/Hz multipunto speciali.

Le altre due piattaforme di controllo dell'azionamento, il controllo vettoriale e il controllo diretto della coppia (DTC), regolano l'ampiezza della tensione del motore, l'angolo dal riferimento e la frequenza in modo da controllare con precisione il flusso magnetico e la coppia meccanica del motore.

Sebbene la modulazione di larghezza di impulso vettoriale spaziale (SVPWM) stia diventando sempre più popolare, la PWM sinusoidale (SPWM) è il metodo più diretto utilizzato per variare la tensione (o la corrente) e la frequenza del motore degli azionamenti. Con il controllo SPWM (vedi Fig. 1), l'uscita quasi sinusoidale a larghezza di impulso variabile è costruita dalle intersezioni di un segnale portante a denti di sega con un segnale sinusoidale modulante che è variabile in frequenza operativa e in tensione (o corrente ).

Il funzionamento dei motori al di sopra della velocità nominale di targa (velocità di base) è possibile, ma è limitato a condizioni che non richiedono più potenza di quella nominale di targa del motore. Questo è talvolta chiamato "indebolimento di campo" e, per i motori CA, significa funzionare a una velocità inferiore a quella nominale V/Hz e superiore alla velocità nominale di targa. I motori sincroni a magneti permanenti hanno una gamma di velocità di indebolimento del campo piuttosto limitata a causa del collegamento del flusso magnetico costante . I motori sincroni a rotore avvolto e i motori a induzione hanno una gamma di velocità molto più ampia. Ad esempio, un motore a induzione da 100 HP, 460 V, 60 Hz, 1775  RPM (4 poli) alimentato con 460 V, 75 Hz (6,134 V/Hz), sarebbe limitato a 60/75 = 80% di coppia al 125% velocità (2218,75 giri/min) = 100% di potenza. A velocità più elevate, la coppia del motore a induzione deve essere ulteriormente limitata a causa dell'abbassamento della coppia di spunto del motore. Pertanto, la potenza nominale può essere tipicamente prodotta solo fino al 130-150% della velocità nominale di targa. I motori sincroni con rotore avvolto possono funzionare a velocità ancora più elevate. Negli azionamenti dei laminatoi, spesso viene utilizzato il 200-300% della velocità di base. La resistenza meccanica del rotore limita la velocità massima del motore.

Fig. 1: Ingresso portante sinusoidale SPWM e uscita PWM a 2 livelli

Un microprocessore integrato governa il funzionamento complessivo del controller VFD. La programmazione di base del microprocessore è fornita come firmware inaccessibile all'utente . La programmazione utente dei parametri del display , delle variabili e dei blocchi funzione viene fornita per controllare, proteggere e monitorare il VFD, il motore e l'apparecchiatura comandata.

Il controller di azionamento di base può essere configurato per includere selettivamente tali componenti di alimentazione e accessori opzionali come segue:

• Collegato a monte del convertitore - interruttore o fusibili , contattore di isolamento , filtro EMC , reattanza di linea , filtro passivo
• Collegato al collegamento CC -- chopper di frenatura , resistenza di frenatura
• Collegato a valle dell'inverter: reattanza di uscita, filtro sinusoidale, filtro dV/dt.

Interfaccia operatore

L'interfaccia operatore fornisce all'operatore un mezzo per avviare e arrestare il motore e regolare la velocità di funzionamento. Il VFD può anche essere controllato da un controllore logico programmabile tramite Modbus o un'altra interfaccia simile. Ulteriori funzioni di controllo dell'operatore potrebbero includere l'inversione e la commutazione tra la regolazione manuale della velocità e il controllo automatico da un segnale di controllo del processo esterno . L'interfaccia operatore spesso include un display alfanumerico o indicatori luminosi e indicatori per fornire informazioni sul funzionamento dell'azionamento. Sulla parte anteriore del controller VFD sono spesso forniti una tastiera di interfaccia operatore e un'unità di visualizzazione, come mostrato nella foto sopra. Il display della tastiera può spesso essere collegato via cavo e montato a breve distanza dal controller VFD. La maggior parte è inoltre dotata di terminali di ingresso e uscita (I/O) per il collegamento di pulsanti, interruttori e altri dispositivi di interfaccia operatore o segnali di controllo. Una comunicazione seriale porta è spesso disponibile per consentire VFD da configurare, regolare, monitorata e controllata tramite un computer.

Controllo di velocità

Ci sono due modi principali per controllare la velocità di un VFD; in rete o cablato. La connessione in rete implica la trasmissione della velocità prevista su un protocollo di comunicazione come Modbus , Modbus / TCP , EtherNet/IP o tramite una tastiera utilizzando l' interfaccia seriale del display mentre il cablaggio richiede un mezzo di comunicazione puramente elettrico. I mezzi tipici di comunicazione cablata sono: 4-20 mA , 0-10 V CC o l'utilizzo dell'alimentatore interno 24 V CC con un potenziometro . La velocità può essere controllata anche da remoto e localmente. Il controllo remoto indica al VFD di ignorare i comandi di velocità dalla tastiera mentre il controllo locale indica al VFD di ignorare il controllo esterno e rispettare solo la tastiera. Su alcune unità vengono utilizzati gli stessi pin sia per 0-10VDC che per 4-20mA e sono selezionati tramite a

Programmazione di un VFD

A seconda del modello, i parametri di funzionamento di un VFD possono essere programmati tramite: software di programmazione dedicato, tastiera interna, tastiera esterna o scheda SD. I VFD spesso bloccheranno la maggior parte delle modifiche alla programmazione durante l'esecuzione. I parametri tipici che devono essere impostati includono: informazioni sulla targa dati del motore, sorgente del riferimento di velocità, sorgente di controllo on/off e controllo di frenatura. È anche comune che i VFD forniscano informazioni di debug come codici di errore e stati dei segnali di ingresso.

Avvio e comportamento del software

La maggior parte dei VFD consente di abilitare l'avvio automatico. Che porterà l'uscita a una frequenza designata dopo un ciclo di alimentazione, o dopo che un guasto è stato cancellato, o dopo che il segnale di arresto di emergenza è stato ripristinato (generalmente gli arresti di emergenza sono attivi a logica bassa). Un modo popolare per controllare un VFD è abilitare l'avvio automatico e posizionare L1, L2 e L3 in un contattore. L'accensione del contattore accende quindi il convertitore e lo fa uscire a una velocità designata. A seconda della sofisticatezza dell'azionamento, è possibile sviluppare più comportamenti di avviamento automatico, ad esempio l'azionamento si avvia automaticamente all'accensione ma non si avvia automaticamente dall'annullamento di un arresto di emergenza fino a quando non viene eseguito un ripristino.

Funzionamento dell'unità

Tabella velocità-coppia del motore elettrico

Facendo riferimento alla tabella allegata, le applicazioni di azionamento possono essere classificate come a quadrante singolo, a due oa quattro quadranti; i quattro quadranti del grafico sono definiti come segue:

• Quadrante I - Quadrante di marcia o di guida, accelerazione in avanti con velocità e coppia positive
• Quadrante II - Quadrante di generazione o frenatura, frenatura in avanti- decelerazione con velocità positiva e coppia negativa
• Quadrante III - Guida o guida, quadrante di accelerazione inverso con velocità e coppia negative
• Quadrante IV - Generazione o frenatura, inversione di frenatura-decelerazione quadrante con velocità negativa e coppia positiva.

La maggior parte delle applicazioni coinvolge carichi a quadrante singolo operanti nel quadrante I, come in carichi a coppia variabile (es. pompe centrifughe o ventilatori) e determinati carichi a coppia costante (es. estrusori).

Alcune applicazioni coinvolgono carichi a due quadranti che operano nel quadrante I e II dove la velocità è positiva ma la coppia cambia polarità come nel caso di un ventilatore che decelera più velocemente delle perdite meccaniche naturali. Alcune fonti definiscono gli azionamenti a due quadranti come carichi che operano nei quadranti I e III in cui la velocità e la coppia hanno la stessa polarità (positiva o negativa) in entrambe le direzioni.

Alcune applicazioni ad alte prestazioni comportano carichi a quattro quadranti (quadranti da I a IV) in cui la velocità e la coppia possono essere in qualsiasi direzione, ad esempio in montacarichi, ascensori e trasportatori collinari. Rigenerazione può avvenire solo in bus in CC dell'inverter quando la tensione inverter è minore in grandezza rispetto al motore back EMF e tensione inverter e back-EMF sono la stessa polarità.

Nell'avviare un motore, un VFD applica inizialmente una bassa frequenza e tensione, evitando così un'elevata corrente di spunto associata all'avviamento diretto in linea . Dopo l'avvio del VFD, la frequenza e la tensione applicate vengono aumentate a una velocità controllata o aumentate per accelerare il carico. Questo metodo di avviamento consente in genere a un motore di sviluppare il 150% della sua coppia nominale mentre il VFD assorbe meno del 50% della sua corrente nominale dalla rete nella gamma a bassa velocità. Un VFD può essere regolato per produrre una coppia di avviamento costante del 150% da fermo fino alla massima velocità. Tuttavia, il raffreddamento del motore si deteriora e può provocare un surriscaldamento quando la velocità diminuisce, in modo tale che il funzionamento prolungato a bassa velocità con una coppia significativa non è solitamente possibile senza una ventilazione con ventola motorizzata separatamente.

Con un VFD, la sequenza di arresto è esattamente l'opposto della sequenza di partenza. La frequenza e la tensione applicate al motore vengono ridotte a una velocità controllata. Quando la frequenza si avvicina allo zero, il motore viene spento. È disponibile una piccola quantità di coppia frenante per aiutare a decelerare il carico un po' più velocemente di quanto si fermerebbe se il motore fosse semplicemente spento e lasciato andare per inerzia. È possibile ottenere una coppia frenante aggiuntiva aggiungendo un circuito di frenatura (resistenza controllata da un transistor) per dissipare l'energia di frenatura. Con un raddrizzatore a quattro quadranti (front-end attivo), il VFD è in grado di frenare il carico applicando una coppia inversa e restituendo l'energia alla linea CA.

Benefici

Risparmio energetico

VVVF utilizzato sul treno della metropolitana di Guangzhou

Molte applicazioni di carico del motore a velocità fissa che sono alimentate direttamente dall'alimentazione della linea CA possono risparmiare energia quando sono azionate a velocità variabile tramite VFD. Tali risparmi sui costi energetici sono particolarmente pronunciati nelle applicazioni di pompe e ventilatori centrifughi a coppia variabile, in cui la coppia e la potenza del carico variano rispettivamente con il quadrato e il cubo della velocità. Questa modifica fornisce una grande riduzione di potenza rispetto al funzionamento a velocità fissa per una riduzione relativamente piccola della velocità. Ad esempio, al 63% di velocità un carico del motore consuma solo il 25% della sua potenza a piena velocità. Questa riduzione è in accordo con leggi di affinità che definiscono la relazione tra le varie variabili di carico centrifugo.

Negli Stati Uniti, circa il 60-65% dell'energia elettrica viene utilizzata per alimentare i motori, il 75% dei quali sono ventole, pompe e compressori a coppia variabile. Il diciotto percento dell'energia utilizzata nei 40 milioni di motori negli Stati Uniti potrebbe essere risparmiata da tecnologie efficienti di miglioramento dell'energia come i VFD.

Solo il 3% circa della base installata totale di motori CA è dotato di convertitori di frequenza. Tuttavia, si stima che la tecnologia di azionamento sia adottata in ben il 30-40% di tutti i motori di nuova installazione.

Una ripartizione del consumo energetico della popolazione mondiale di installazioni di motori a corrente alternata è mostrata nella tabella seguente:

Prestazioni di controllo

I convertitori di frequenza vengono utilizzati per apportare miglioramenti di processo e qualità nell'accelerazione, nel flusso, nel monitoraggio, nella pressione, nella velocità, nella temperatura, nella tensione e nella coppia delle applicazioni industriali e commerciali.

I carichi a velocità fissa sottopongono il motore a un'elevata coppia di spunto e a picchi di corrente fino a otto volte la corrente a pieno carico. Gli azionamenti CA invece portano gradualmente il motore alla velocità operativa per ridurre lo stress meccanico ed elettrico, riducendo i costi di manutenzione e riparazione e prolungando la vita del motore e dell'apparecchiatura azionata.

Gli azionamenti a velocità variabile possono anche far funzionare un motore in modelli specializzati per ridurre ulteriormente lo stress meccanico ed elettrico. Ad esempio, un modello di curva a S può essere applicato a un'applicazione di un trasportatore per una decelerazione e un controllo dell'accelerazione più uniformi, che riducono il gioco che può verificarsi quando un trasportatore sta accelerando o decelerando.

I fattori prestazionali che tendono a favorire l'uso di convertitori di frequenza CC rispetto a convertitori di frequenza CA includono requisiti come il funzionamento continuo a bassa velocità, il funzionamento a quattro quadranti con rigenerazione, frequenti routine di accelerazione e decelerazione e la necessità di proteggere il motore per un'area pericolosa. La tabella seguente mette a confronto gli azionamenti in c.a. e c.c. in base a determinati parametri chiave:

^ Iniezione ad alta frequenza

Tipi e valutazioni VFD

Topologie generiche

Topologia dell'unità VSI

Topologia dell'unità CSI

Forme d'onda di azionamento a sei fasi

Topologia del convertitore a matrice diretta

Gli inverter possono essere classificati secondo le seguenti topologie generiche:

• Topologie di azionamento inverter con sorgente di tensione (VSI) (vedi immagine): in un azionamento VSI, l'uscita CC del convertitore a ponte a diodi immagazzina energia nel bus del condensatore per fornire un ingresso di tensione rigida all'inverter. La stragrande maggioranza delle unità è di tipo VSI con uscita in tensione PWM.
• Topologie del convertitore di frequenza corrente source (CSI) (vedi immagine): In un'unità CSI, l'uscita di CC del SCR -Bridge convertitore immagazzina energia in serie- induttore collegamento per fornire corrente di ingresso all'inverter rigida. Le unità CSI possono essere utilizzate sia con PWM che con uscita a forma d'onda a sei fasi.
• Topologie di azionamento con inverter a sei fasi (vedi immagine): ormai ampiamente obsoleti, gli azionamenti a sei fasi possono essere di tipo VSI o CSI e sono anche indicati come azionamenti inverter a tensione variabile, azionamenti a modulazione di ampiezza di impulso (PAM), onda quadra azionamenti o inverter DC chopper . In un azionamento a sei fasi, l'uscita CC del convertitore a ponte SCR viene livellata tramite il bus del condensatore e la connessione del reattore in serie per fornire tramite Darlington Pair o inverter IGBT quasi sinusoidale, tensione a sei fasi o ingresso di corrente a un motore a induzione.
• Topologie di azionamento con inverter a commutazione di carico (LCI) : in un azionamento LCI (un caso CSI speciale), l'uscita CC del convertitore a ponte SCR immagazzina energia tramite il circuito dell'induttore del collegamento CC per fornire un'uscita di corrente a sei fasi rigida quasi sinusoidale di un secondo L'inverter del ponte SCR e una macchina sincrona sovraeccitata.
• Topologie di cicloconvertitore o convertitore a matrice (MC) (vedi immagine): i cicloconvertitori e gli MC sono convertitori CA-CA che non hanno un collegamento CC intermedio per l'accumulo di energia. Un cicloconvertitore funziona come una sorgente di corrente trifase tramite tre ponti SCR collegati in antiparallelo in configurazione a sei impulsi, ciascuna fase del cicloconvertitore che agisce selettivamente per convertire la tensione CA a frequenza di linea fissa in una tensione alternata a una frequenza di carico variabile. Le unità MC sono basate su IGBT.
• Topologie del sistema di recupero dello scorrimento a doppia alimentazione : un sistema di recupero dello scorrimento a doppia alimentazione alimenta la potenza di scorrimento rettificata a un reattore di livellamento per fornire alimentazione alla rete di alimentazione CA tramite un inverter, la velocità del motore viene controllata regolando la corrente CC.

Piattaforme di controllo

La maggior parte delle unità utilizza una o più delle seguenti piattaforme di controllo:

• Controllo scalare PWM V/Hz
• Controllo ad orientamento di campo PWM (FOC) o controllo vettoriale
• Controllo diretto della coppia (DTC).

Coppia di carico e caratteristiche di potenza

Gli azionamenti a frequenza variabile sono inoltre classificati in base alle seguenti caratteristiche di coppia e potenza di carico:

• Coppia variabile, come nelle applicazioni con ventilatori centrifughi, pompe e soffianti
• Coppia costante, come nelle applicazioni di nastri trasportatori e pompe volumetriche
• Potenza costante, come nelle applicazioni di macchine utensili e di trazione.

Potenze disponibili

I VFD sono disponibili con tensioni e correnti nominali che coprono un'ampia gamma di motori CA monofase e multifase. Gli azionamenti a bassa tensione (LV) sono progettati per funzionare a tensioni di uscita uguali o inferiori a 690 V. Sebbene gli azionamenti BT per applicazioni a motore siano disponibili in taglie fino a 5 o 6 MW, le considerazioni economiche tipicamente favoriscono la media tensione (MV) azionamenti con potenze nominali molto inferiori. Diverse topologie di azionamento MT (vedere la Tabella 2) sono configurate in base ai valori di combinazione tensione/corrente utilizzati nei dispositivi di commutazione dei vari controller di azionamento in modo tale che qualsiasi dato valore di tensione sia maggiore o uguale a uno dei seguenti valori nominali di tensione nominale del motore : generalmente o 2+3 / 4 .16 kV (60 Hz) o 3+3 / 6 .6 kV (50 Hz), con il produttore un tiristore valutazione fino a 12 kV commutazione. In alcune applicazioni un trasformatore elevatore viene posizionato tra un inverter BT e un carico motore MT. Gli azionamenti MT sono generalmente classificati per applicazioni motore superiori a circa 375 e 750 kW (503 e 1.006 CV). Gli azionamenti MT hanno storicamente richiesto uno sforzo di progettazione delle applicazioni notevolmente maggiore di quello richiesto per le applicazioni degli azionamenti LV. La potenza nominale degli azionamenti MT può raggiungere i 100 MW (130.000 CV), coinvolgendo una gamma di diverse topologie di azionamenti per requisiti di rating, prestazioni, qualità dell'alimentazione e affidabilità diversi.

Azionamenti per macchine e topologie dettagliate

È infine utile mettere in relazione i VFD nei termini delle due seguenti classificazioni:

• In termini di varie macchine AC come mostrato nella Tabella 1 di seguito
• In termini di varie topologie dettagliate di convertitori AC-AC mostrate nelle tabelle 2 e 3 di seguito.

Considerazioni sull'applicazione

Armoniche di linea CA

Nota di chiarimento:.

Mentre le armoniche nell'uscita PWM possono essere facilmente filtrate dall'induttanza del filtro correlata alla frequenza portante per fornire correnti quasi sinusoidali al carico del motore, il raddrizzatore a ponte a diodi del VFD converte la tensione di linea CA in uscita di tensione CC sovrapponendo non lineare impulsi di corrente semifase creando così distorsione di corrente armonica, e quindi distorsione di tensione, dell'ingresso della linea CA. Quando i carichi VFD sono relativamente piccoli rispetto al sistema di alimentazione grande e rigido disponibile dalla società elettrica , gli effetti della distorsione armonica VFD della rete CA possono spesso essere entro limiti accettabili. Inoltre, nelle reti a bassa tensione, le armoniche causate da apparecchiature monofase come computer e televisori sono parzialmente cancellate dalle armoniche del ponte di diodi trifase perché la loro quinta e settima armonica sono in controfase. Tuttavia, quando la proporzione di VFD e altro carico non lineare rispetto al carico totale o del carico non lineare rispetto alla rigidità dell'alimentatore CA, o entrambi, è relativamente grande, il carico può avere un impatto negativo sul Forma d'onda dell'alimentazione CA disponibile per i clienti di altre società elettriche nella stessa rete.

Quando la tensione della società elettrica viene distorta a causa delle armoniche, le perdite in altri carichi come i normali motori CA a velocità fissa aumentano. Questa condizione può portare al surriscaldamento e alla riduzione della vita operativa. Inoltre, i trasformatori di sottostazione e i condensatori di compensazione sono influenzati negativamente. In particolare, i condensatori possono causare condizioni di risonanza che possono amplificare in modo inaccettabile i livelli armonici. Al fine di limitare la distorsione di tensione, ai proprietari del carico VFD potrebbe essere richiesto di installare apparecchiature di filtraggio per ridurre la distorsione armonica al di sotto dei limiti accettabili. In alternativa, l'utility può adottare una soluzione installando apparecchiature di filtraggio proprie nelle sottostazioni interessate dalla grande quantità di apparecchiature VFD utilizzate. Nelle installazioni ad alta potenza, la distorsione armonica può essere ridotta fornendo VFD a ponte raddrizzatore multi-impulso da trasformatori con più avvolgimenti sfasati.

È anche possibile sostituire il raddrizzatore a ponte di diodi standard con un ponte dispositivo di commutazione IGBT bidirezionale che rispecchia l'inverter standard che utilizza l'uscita del dispositivo di commutazione IGBT al motore. Tali raddrizzatori sono indicati con varie denominazioni tra cui convertitore di alimentazione attivo (AIC), raddrizzatore attivo , unità di alimentazione IGBT (ISU), front-end attivo (AFE) o funzionamento a quattro quadranti. Con il controllo PWM e una reattanza di ingresso adatta, la forma d'onda della corrente di linea CA di un AFE può essere quasi sinusoidale. L'AFE rigenera intrinsecamente l'energia in modalità a quattro quadranti dal lato CC alla rete CA. Pertanto, non è necessaria alcuna resistenza di frenatura e l'efficienza dell'azionamento risulta migliorata se l'azionamento deve spesso frenare il motore.

Altre due tecniche di mitigazione delle armoniche sfruttano l'uso di filtri passivi o attivi collegati a un bus comune con almeno un carico di ramo VFD sul bus. I filtri passivi comportano la progettazione di una o più trappole per filtri LC passa-basso , ciascuna trappola sintonizzata secondo necessità su una frequenza armonica (5a, 7a, 11a, 13a, . . . kq+/-1, dove k=intero, q= numero di impulsi del convertitore).

È pratica molto comune per le aziende elettriche o per i loro clienti imporre limiti di distorsione armonica basati sugli standard IEC o IEEE . Ad esempio, i limiti IEEE Standard 519 al punto di connessione del cliente richiedono che la massima armonica di tensione di frequenza individuale non sia superiore al 3% della fondamentale e richiedono che la distorsione armonica totale della tensione (THD) non sia superiore al 5% per un sistema di alimentazione CA generale.

Ripiegamento della frequenza di commutazione

Un convertitore utilizza un'impostazione di frequenza di commutazione predefinita di 4 kHz. Riducendo la frequenza di commutazione del convertitore (la frequenza portante) si riduce il calore generato dagli IGBT .

Una frequenza portante di almeno dieci volte la frequenza di uscita desiderata viene utilizzata per stabilire gli intervalli di commutazione PWM. Una frequenza portante nell'intervallo da 2.000 a 16.000 Hz è comune per i VFD LV [bassa tensione, sotto i 600 Volt AC]. Una frequenza portante più elevata produce una migliore approssimazione dell'onda sinusoidale ma comporta perdite di commutazione più elevate nell'IGBT, diminuendo l'efficienza complessiva della conversione di potenza.

Levigazione del rumore

Alcune unità hanno una funzione di attenuazione del rumore che può essere attivata per introdurre una variazione casuale alla frequenza di commutazione. Questo distribuisce il rumore acustico su una gamma di frequenze per abbassare l'intensità del rumore di picco.

Effetti a lungo termine

La tensione di uscita a impulsi a frequenza portante di un VFD PWM provoca tempi di salita rapidi in questi impulsi, i cui effetti sulla linea di trasmissione devono essere considerati. Poiché l' impedenza della linea di trasmissione del cavo e del motore sono diverse, gli impulsi tendono a riflettersi dai terminali del motore nel cavo. Le riflessioni risultanti possono produrre sovratensioni pari al doppio della tensione del bus CC o fino a 3,1 volte la tensione di linea nominale per cavi lunghi, sollecitando molto il cavo e gli avvolgimenti del motore e l'eventuale guasto dell'isolamento. Gli standard di isolamento per i motori trifase da 230 V o meno proteggono adeguatamente da tali sovratensioni a lungo cavo. Sui sistemi e inverter da 460 V o 575 V con IGBT di terza generazione con tempo di salita di 0,1 microsecondi, la distanza massima del cavo consigliata tra VFD e motore è di circa 50 mo 150 piedi. Per i nuovi azionamenti alimentati da MOSFET SiC, sono state osservate sovratensioni significative su cavi di lunghezza inferiore a 3 metri. Le soluzioni alle sovratensioni causate da cavi lunghi includono la riduzione al minimo della lunghezza del cavo, l'abbassamento della frequenza portante, l'installazione di filtri dV/dt, l'utilizzo di motori per inverter (che sono classificati a 600 V per resistere a treni di impulsi con tempo di salita inferiore o uguale a 0,1 microsecondi , di magnitudo di picco di 1.600 V) e installando filtri sinusoidali passa-basso LCR. La selezione della frequenza portante PWM ottimale per i convertitori di frequenza comporta il bilanciamento di rumore, calore, stress sull'isolamento del motore, danni alla corrente del cuscinetto del motore indotti dalla tensione di modo comune, funzionamento regolare del motore e altri fattori. Un'ulteriore attenuazione delle armoniche può essere ottenuta utilizzando un filtro sinusoidale passa-basso LCR o un filtro dV/dt.

Correnti dei cuscinetti del motore

È probabile che le frequenze portanti superiori a 5 kHz causino danni ai cuscinetti a meno che non vengano prese misure protettive.

Gli azionamenti PWM sono intrinsecamente associati a tensioni e correnti di modo comune ad alta frequenza che possono causare problemi ai cuscinetti del motore. Quando queste tensioni ad alta frequenza trovano un percorso verso terra attraverso un cuscinetto, si verifica il trasferimento di scintille di metallo o elettroerosione (EDM) tra la sfera del cuscinetto e la pista del cuscinetto. Nel tempo, le scintille dovute all'elettroerosione provocano un'erosione nella pista del cuscinetto che può essere vista come un motivo di scanalature. Nei motori di grandi dimensioni, la capacità parassita degli avvolgimenti fornisce percorsi per correnti ad alta frequenza che passano attraverso le estremità dell'albero del motore, portando a un tipo di corrente di cuscinetto circolante. Una cattiva messa a terra degli statori del motore può portare a correnti di cuscinetto albero-terra. I piccoli motori con apparecchiature azionate con scarsa messa a terra sono suscettibili alle correnti portanti ad alta frequenza.

La prevenzione dei danni alle correnti di cuscinetto ad alta frequenza utilizza tre approcci: buone pratiche di cablaggio e messa a terra, interruzione delle correnti di cuscinetto e filtraggio o smorzamento delle correnti di modo comune, ad esempio attraverso nuclei magnetici morbidi, i cosiddetti assorbitori induttivi. Le buone pratiche di cablaggio e messa a terra possono includere l'uso di un cavo di alimentazione schermato a geometria simmetrica per alimentare il motore, l'installazione di spazzole di messa a terra dell'albero e grasso per cuscinetti conduttivo. Le correnti dei cuscinetti possono essere interrotte installando cuscinetti isolati e motori a induzione con schermatura elettrostatica appositamente progettati. Il filtraggio e lo smorzamento dei cuscinetti ad alta frequenza possono essere effettuati inserendo nuclei magnetici morbidi sulle tre fasi che forniscono un'impedenza ad alta frequenza contro il modo comune o le correnti dei cuscinetti del motore. Un altro approccio consiste nell'utilizzare, al posto degli inverter standard a 2 livelli, azionamenti inverter a 3 livelli o convertitori a matrice.

Poiché i picchi di corrente ad alta frequenza dei cavi motore alimentati da inverter possono interferire con altri cablaggi delle strutture, tali cavi motore alimentati da inverter non devono essere solo schermati e con geometria simmetrica, ma devono anche essere instradati ad almeno 50 cm di distanza dai cavi di segnale .

Frenata dinamica

La coppia generata dall'azionamento fa sì che il motore a induzione funzioni a velocità sincrona meno lo scorrimento. Se il carico aziona il motore a una velocità superiore alla velocità sincrona, il motore funge da generatore , convertendo l'energia meccanica in energia elettrica. Questa potenza viene restituita all'elemento del collegamento CC del convertitore (condensatore o reattore). Un interruttore di alimentazione elettronico o un chopper di frenatura CC collegato al collegamento CC controlla la dissipazione di questa potenza sotto forma di calore in una serie di resistori. Le ventole di raffreddamento possono essere utilizzate per prevenire il surriscaldamento della resistenza.

La frenata dinamica spreca energia di frenata trasformandola in calore. Al contrario, gli azionamenti rigenerativi recuperano l'energia di frenata iniettando questa energia nella linea CA. Il costo del capitale degli azionamenti rigenerativi è, tuttavia, relativamente elevato.

Azionamenti rigenerativi

Azionamenti a frequenza variabile rigenerativi di linea, che mostrano condensatori (cilindri superiori) e induttori collegati, che filtrano la potenza rigenerata.

Schema di azionamento semplificato per un popolare EHV

Gli inverter rigenerativi hanno la capacità di recuperare l'energia di frenatura di un carico che si muove più velocemente della velocità del motore designata (un carico di revisione ) e di restituirla al sistema di alimentazione.

Gli azionamenti Cycloconverter, Scherbius, matrix, CSI e LCI consentono intrinsecamente il ritorno di energia dal carico alla linea, mentre gli inverter con sorgente di tensione richiedono un convertitore aggiuntivo per restituire energia all'alimentazione.

La rigenerazione è utile nei VFD solo dove il valore dell'energia recuperata è elevato rispetto al costo aggiuntivo di un sistema rigenerativo e se il sistema richiede frequenti frenate e avviamenti. I VFD rigenerativi sono ampiamente utilizzati dove è richiesto il controllo della velocità dei carichi di revisione.

Qualche esempio:

• Azionamenti a nastro trasportatore per la produzione, che si fermano ogni pochi minuti. Durante l'arresto, le parti sono assemblate correttamente; una volta fatto, il nastro si muove.
• Una gru, dove il motore del paranco si ferma e si inverte frequentemente, e la frenata è necessaria per rallentare il carico durante l'abbassamento.
• Veicoli elettrici plug-in e ibridi di tutti i tipi (vedi immagine e Hybrid Synergy Drive ).

Sistemi storici

Prima che i dispositivi a stato solido diventassero disponibili, gli azionamenti a frequenza variabile utilizzavano macchine rotanti e la General Electric Company ottenne diversi brevetti per questi all'inizio del XX secolo. Un esempio è il brevetto US 0.949.320 del 1910 che afferma: "Un tale generatore trova un'utile applicazione nel fornire corrente a motori a induzione per azionare automobili, locomotive o altri meccanismi che devono essere azionati a velocità variabile". Un altro è il brevetto britannico 7061 del 1911 di Brown, Boveri & Cie ., ora noto come ABB .

Guarda anche

Appunti

Riferimenti