Convertitore di frequenza: tipi, principio di funzionamento, schemi di connessione

Il rotore di qualsiasi motore elettrico è azionato da forze causate da un campo elettromagnetico rotante all'interno dell'avvolgimento dello statore. La sua velocità è solitamente determinata dalla frequenza industriale della rete elettrica.

Il suo valore standard di 50 hertz implica cinquanta periodi di oscillazione in un secondo. In un minuto il loro numero aumenta di 60 volte ed è 50×60 = 3000 giri. Il rotore ruota lo stesso numero di volte sotto l'influenza del campo elettromagnetico applicato.

Modificando il valore della frequenza di rete applicata allo statore è possibile regolare la velocità di rotazione del rotore e dell'azionamento ad esso collegato. Questo principio è alla base del controllo dei motori elettrici.

Tipi di convertitori di frequenza

In base alla progettazione, i convertitori di frequenza sono:

1. tipo ad induzione;

2. elettronico.

Motori asincroni fabbricati secondo lo schema con un rotore di fase e avviati in modalità generatore, sono rappresentanti del primo tipo. Durante il funzionamento, hanno una bassa efficienza e sono caratterizzati da una bassa efficienza.Pertanto, non hanno trovato ampia applicazione nella produzione e vengono utilizzati molto raramente.

Il metodo di conversione elettronica della frequenza consente una regolazione uniforme della velocità di macchine sia asincrone che sincrone. In questo caso, può essere applicato uno dei due principi di controllo:

1. Secondo una caratteristica predeterminata della dipendenza della velocità di rotazione dalla frequenza (V / f);

2. metodo di controllo vettoriale.

Il primo metodo è il più semplice e meno perfetto e il secondo viene utilizzato per controllare con precisione le velocità di rotazione delle apparecchiature industriali critiche.

Caratteristiche del controllo del vettore di conversione di frequenza

La differenza tra questo metodo è l'interazione, l'influenza del dispositivo di controllo del convertitore sul «vettore spaziale» del flusso magnetico rotante con la frequenza del campo del rotore.

Gli algoritmi per i convertitori per lavorare su questo principio vengono creati in due modi:

1. controllo sensorless;

2. regolazione del flusso.

Il primo metodo si basa sulla determinazione di una certa dipendenza dall'alternanza delle sequenze modulazione di larghezza di impulso (PWM) inverter per algoritmi preimpostati. In questo caso, l'ampiezza e la frequenza della tensione di uscita del convertitore sono controllate dalla corrente di scorrimento e dal carico, ma senza utilizzare la retroazione della velocità del rotore.

Questo metodo viene utilizzato quando si controllano più motori elettrici collegati in parallelo con il convertitore di frequenza.Il controllo del flusso implica il monitoraggio delle correnti operative all'interno del motore con la loro scomposizione in componenti attivi e reattivi e l'esecuzione di regolazioni sul funzionamento del convertitore per impostare l'ampiezza, la frequenza e l'angolo dei vettori della tensione di uscita.

Ciò migliora la precisione del motore e aumenta i limiti della sua regolazione. L'uso del controllo di flusso estende le capacità degli azionamenti che operano a basse velocità con carichi dinamici elevati, come i paranchi delle gru o gli avvolgitori industriali.

L'uso della tecnologia vettoriale consente di implementare il controllo dinamico della coppia motori asincroni trifase. 

Circuito equivalente

Un circuito elettrico semplificato di base di un motore a induzione può essere rappresentato come segue.

Una tensione u1 è applicata agli avvolgimenti dello statore, che hanno una resistenza attiva R1 e una resistenza induttiva X1. Esso, superando la resistenza del traferro Xv, si trasforma nell'avvolgimento del rotore, provocando in esso una corrente che ne supera la resistenza.

Circuito equivalente di un circuito vettoriale

La sua costruzione aiuta a comprendere i processi che avvengono nel motore asincrono.

L'energia della corrente dello statore è divisa in due parti:

• iµ — partizione che forma il flusso;

• iw — componente che genera il momento.

In questo caso, il rotore ha una resistenza attiva dipendente dallo scorrimento R2 / s.

Per il controllo sensorless, viene misurato quanto segue:

• tensione u1;

• corrente i1.

In base ai loro valori, calcolano:

• iµ — componente di flusso che forma il flusso;

• iw — coppia che genera valore.

L'algoritmo di calcolo include ora un circuito elettronico equivalente di un motore asincrono con regolatori di corrente, che tiene conto delle condizioni di saturazione del campo elettromagnetico e delle perdite di energia magnetica nell'acciaio.

Entrambe le componenti dei vettori di corrente, diverse per angolo e ampiezza, ruotano insieme al sistema di coordinate del rotore e diventano un sistema di orientamento dello statore stazionario.

Secondo questo principio, i parametri del convertitore di frequenza vengono regolati in base al carico del motore asincrono.

Il principio di funzionamento del convertitore di frequenza

Questo dispositivo, detto anche inverter, si basa su un doppio cambiamento della forma d'onda dell'alimentazione di rete.

Inizialmente, la tensione industriale viene alimentata a un raddrizzatore con potenti diodi che rimuovono le armoniche sinusoidali ma lasciano le increspature del segnale. Per la loro rimozione, viene fornito un banco di condensatori con un'induttanza (filtro LC), che fornisce una forma stabile e levigata alla tensione raddrizzata.

Il segnale va quindi all'ingresso del convertitore di frequenza, che è un circuito a ponte trifase di sei transistor di potenza Serie IGBT o MOSFET con diodi di protezione contro l'inversione di polarità. I tiristori utilizzati in precedenza per questi scopi non hanno una velocità sufficiente e funzionano con grandi disturbi.

Per attivare la modalità "freno" del motore, è possibile installare nel circuito un transistor controllato con un potente resistore che dissipa energia. Questa tecnica consente di rimuovere la tensione generata dal motore per proteggere i condensatori del filtro da sovraccarichi e danni.

Il metodo di controllo della frequenza vettoriale del convertitore consente di creare circuiti che eseguono il controllo automatico del segnale dai sistemi ACS. Per questo viene utilizzato un sistema di gestione:

1. ampiezza;

2. PWM (simulazione dell'ampiezza dell'impulso).

Il metodo di controllo dell'ampiezza si basa sulla modifica della tensione di ingresso e PWM si basa sull'algoritmo per la commutazione dei transistor di potenza a una tensione di ingresso costante.

Con la regolazione PWM, viene creato un periodo di modulazione del segnale quando l'avvolgimento dello statore è collegato in ordine rigoroso ai terminali positivo e negativo del raddrizzatore.

Poiché la frequenza di clock del generatore è piuttosto elevata, nell'avvolgimento del motore elettrico, che ha una resistenza induttiva, vengono livellate a una normale onda sinusoidale.

I metodi di controllo PWM massimizzano l'eliminazione delle perdite di energia e forniscono un'elevata efficienza di conversione grazie al controllo simultaneo di frequenza e ampiezza. Sono diventati disponibili grazie allo sviluppo delle tecnologie di controllo dei tiristori con blocco di potenza della serie GTO o dei marchi bipolari di transistor IGBT a gate isolato.

I principi della loro inclusione per il controllo di un motore trifase sono mostrati nella foto.

Ciascuno dei sei IGBT è connesso in circuito antiparallelo al proprio diodo a corrente inversa. In questo caso, la corrente attiva del motore a induzione passa attraverso il circuito di potenza di ciascun transistor e la sua componente reattiva è diretta attraverso i diodi.

Per eliminare l'influenza del rumore elettrico esterno sul funzionamento dell'inverter e del motore, il circuito del convertitore di frequenza può includere filtro per la riduzione del rumoreliquidazione:

• interferenze radio;

• scariche elettriche causate dalle apparecchiature in funzione.

Questi sono segnalati dal controller e viene utilizzato un cablaggio schermato tra il motore e i terminali di uscita dell'inverter per ridurre gli urti.

Per migliorare la precisione di funzionamento dei motori asincroni, il circuito di controllo dei convertitori di frequenza comprende:

• input di comunicazione con funzionalità di interfaccia avanzate;

• controller integrato;

• scheda di memoria;

• Software;

• display LED informativo che mostra i principali parametri di uscita;

• chopper di frenatura e filtro EMC integrato;

• sistema di raffreddamento del circuito basato sul soffiaggio con ventilatori di maggiore risorsa;

• la funzione di riscaldamento del motore mediante corrente continua e alcune altre possibilità.

Schemi elettrici operativi

I convertitori di frequenza sono progettati per funzionare con reti monofase o trifase. Tuttavia, se esistono fonti industriali di corrente continua con una tensione di 220 volt, gli inverter possono essere alimentati da esse.

I modelli trifase sono progettati per una tensione di rete di 380 volt e la alimentano al motore elettrico. Gli inverter monofase sono alimentati a 220 volt e producono tre fasi distribuite nel tempo.

Lo schema di collegamento del convertitore di frequenza al motore può essere eseguito secondo gli schemi:

• stelle;

• triangolo.

Gli avvolgimenti del motore sono assemblati a «stella» per il convertitore, alimentato da una rete trifase di 380 volt.

Secondo lo schema "delta", gli avvolgimenti del motore vengono assemblati quando il convertitore di potenza è collegato a una rete monofase a 220 volt.

Quando si sceglie un metodo per collegare un motore elettrico a un convertitore di frequenza, è necessario prestare attenzione al rapporto di potenza che un motore in funzione può creare in tutte le modalità, compreso un avvio lento e carico, con le capacità dell'inverter.

È impossibile sovraccaricare costantemente il convertitore di frequenza e una piccola riserva della sua potenza di uscita garantirà il suo funzionamento a lungo termine e senza problemi.