Convertitore di frequenza per motore elettrico

Aspetti tecnici dell'utilizzo dei convertitori di frequenza

Al giorno d'oggi, il motore a induzione è diventato il dispositivo principale nella maggior parte degli azionamenti elettrici. Per il controllo viene sempre più utilizzato un convertitore di frequenza, un inverter con regolazione PWM. Tale controllo offre molti vantaggi, ma crea anche alcuni problemi nella scelta di determinate soluzioni tecniche. Proviamo a capirli in modo più dettagliato.

Il dispositivo dei convertitori di frequenza

Lo sviluppo e la produzione di un'ampia gamma di potenti moduli IGBT a transistor ad alta tensione ha permesso di implementare interruttori di potenza multifase controllati direttamente da segnali digitali. Strutture informatiche programmabili hanno permesso di generare sequenze numeriche agli ingressi degli interruttori che fornivano segnali controllo di frequenza di motori elettrici asincroni… Lo sviluppo e la produzione in serie di microcontrollori a chip singolo con grandi risorse di calcolo hanno reso possibile il passaggio ai servoazionamenti con controllori digitali.

I convertitori di frequenza di potenza, di norma, sono implementati secondo uno schema contenente un raddrizzatore basato su potenti diodi o transistor di potenza e un inverter (interruttore controllato) basato su transistor IGBT deviati da diodi (Fig. 1).

Riso. 1. Circuito del convertitore di frequenza

Lo stadio di ingresso rettifica la tensione di rete sinusoidale fornita, che, dopo il livellamento con un filtro induttivo-capacitivo, funge da fonte di alimentazione per l'inverter controllato, che genera un segnale con modulazione degli impulsi, che genera correnti sinusoidali negli avvolgimenti dello statore con parametri che forniscono la modalità operativa necessaria del motore elettrico.

Il controllo digitale del convertitore di potenza viene eseguito utilizzando hardware e software a microprocessore corrispondenti alle attività da svolgere. L'unità di calcolo genera segnali di controllo per 52 moduli in tempo reale ed elabora anche segnali provenienti da sistemi di misurazione che controllano il funzionamento dell'azionamento.

Alimentatori e computer di controllo sono combinati in un prodotto industriale strutturalmente progettato chiamato convertitore di frequenza.

Esistono due tipi principali di convertitori di frequenza utilizzati nelle apparecchiature industriali:

• convertitori proprietari per tipi specifici di apparecchiature.

• i convertitori di frequenza universali sono progettati per il controllo multifunzionale del funzionamento AM in modalità definite dall'utente.

L'impostazione e la gestione delle modalità di funzionamento del convertitore di frequenza possono essere effettuate utilizzando il pannello di controllo dotato di uno schermo per indicare le informazioni inserite.Per un semplice controllo della frequenza scalare, è possibile utilizzare una serie di semplici funzioni logiche disponibili nelle impostazioni di fabbrica del controller e il controller PID integrato.

Per implementare modalità di controllo più complesse utilizzando segnali di sensori di feedback, è necessario sviluppare una struttura ACS e un algoritmo da programmare utilizzando un computer esterno collegato.

La maggior parte dei produttori produce una gamma di convertitori di frequenza che differiscono per caratteristiche elettriche di ingresso e uscita, potenza, design e altri parametri. Ulteriori elementi esterni possono essere utilizzati per il collegamento ad apparecchiature esterne (rete, motore): avviatori magnetici, trasformatori, induttanze.

Tipi di segnali di controllo

È necessario distinguere tra i diversi tipi di segnali e utilizzare un cavo separato per ciascuno. Diversi tipi di segnali possono influenzarsi a vicenda. In pratica, questa separazione è comune, ad esempio un cavo da sensore di pressione può essere collegato direttamente al convertitore di frequenza.

Nella fig. 2 mostra il modo consigliato per collegare il convertitore di frequenza in presenza di vari circuiti e segnali di controllo.

Riso. 2. Un esempio di collegamento dei circuiti di potenza e dei circuiti di controllo del convertitore di frequenza

Si possono distinguere i seguenti tipi di segnali:

• analogico - segnali di tensione o corrente (0 … 10 V, 0/4 … 20 mA), il cui valore cambia lentamente o raramente, di solito si tratta di segnali di controllo o di misurazione;

• segnali discreti in tensione o corrente (0…10 V, 0/4…20 mA), che possono assumere solo due valori che cambiano raramente (alto o basso);

• digitale (dati) — segnali di tensione (0 … 5 V, 0 … 10 V) che cambiano rapidamente e con una frequenza elevata, solitamente si tratta di segnali provenienti dalle porte RS232, RS485, ecc.;

• relè — i contatti del relè (0 … 220 V CA) possono includere correnti induttive a seconda del carico collegato (relè esterni, lampade, valvole, freni, ecc.).

Selezione della potenza del convertitore di frequenza

Quando si sceglie la potenza del convertitore di frequenza, è necessario fare affidamento non solo sulla potenza del motore elettrico, ma anche sulle correnti e tensioni nominali del convertitore e del motore. Il fatto è che la potenza specificata del convertitore di frequenza si riferisce solo al suo funzionamento con un motore asincrono standard a 4 poli in applicazioni standard.

I dispositivi reali hanno molti aspetti che possono far aumentare il carico di corrente sul dispositivo, ad esempio durante l'avvio. In linea di principio, l'utilizzo di un convertitore di frequenza consente di ridurre i carichi di corrente e meccanici dovuti all'avvio graduale. Ad esempio, la corrente di avviamento viene ridotta dal 600% al 100-150% della corrente nominale.

Guidare a velocità ridotta

Va ricordato che sebbene il convertitore di frequenza fornisca facilmente una regolazione della velocità 10: 1 quando il motore funziona a basse velocità, la potenza del proprio ventilatore potrebbe non essere sufficiente. Monitorare la temperatura del motore e fornire ventilazione forzata.

Compatibilità elettromagnetica

Poiché il convertitore di frequenza è una potente fonte di armoniche ad alta frequenza, è necessario utilizzare un cavo schermato di lunghezza minima per collegare i motori. Tale cavo deve essere posato ad una distanza di almeno 100 mm dagli altri cavi.Ciò riduce al minimo il controinterrogatorio. Se i cavi devono essere incrociati, l'incrocio viene eseguito con un angolo di 90 gradi.

È alimentato da un generatore di emergenza

Il soft start fornito dal convertitore di frequenza consente di ridurre la potenza richiesta dal generatore. Poiché con un tale avvio la corrente diminuisce di 4-6 volte, la potenza del generatore può essere ridotta di un numero simile di volte. Tuttavia, tra il generatore e il convertitore di frequenza deve essere ancora installato un contattore, controllato dall'uscita relè del convertitore di frequenza. Questo protegge il convertitore di frequenza da pericolose sovratensioni.

Alimentazione di un convertitore trifase da una rete monofase

I convertitori di frequenza trifase possono essere alimentati da una rete monofase, ma la loro corrente di uscita non deve superare il 50% di quella nominale.

Risparmia energia e denaro

I risparmi derivano da diversi motivi: primo, a causa della crescita coseno phi a valori di 0,98, cioè la massima potenza viene utilizzata per fare lavoro utile, il minimo viene sprecato. In secondo luogo, si ottiene un coefficiente vicino a questo in tutte le modalità di funzionamento del motore.

Senza convertitore di frequenza, i motori asincroni a basso carico hanno un coseno phi di 0,3-0,4. Terzo, non sono necessarie ulteriori regolazioni meccaniche (ammortizzatori, valvole a farfalla, valvole, freni, ecc.), Tutto viene eseguito elettronicamente. Con un tale dispositivo di controllo, il risparmio può arrivare fino al 50%.

Sincronizza più dispositivi

Grazie agli ingressi aggiuntivi per controllare il convertitore di frequenza, è possibile sincronizzare i processi di trasporto o impostare i rapporti di variazione di alcuni valori, a seconda di altri.Ad esempio, per rendere la velocità del mandrino della macchina dipendente dalla velocità di avanzamento della fresa. Il processo sarà ottimizzato perché all'aumentare del carico della fresa, l'avanzamento sarà ridotto e viceversa.

Protezione della rete contro le armoniche superiori

Per una protezione aggiuntiva, oltre a cavi schermati corti, vengono utilizzate induttanze di linea e condensatori di bypass. Acceleratoreinoltre limita la corrente di spunto all'accensione.

Scegliere la giusta classe di protezione

Una dissipazione del calore affidabile è essenziale per il buon funzionamento del convertitore di frequenza. Se si utilizzano classi di protezione elevate, ad esempio IP 54 e superiori, è difficile o costoso ottenere tale dissipazione del calore. Pertanto, è possibile utilizzare un armadio separato con un elevato grado di protezione, dove installare moduli di classe inferiore ed eseguire la ventilazione e il raffreddamento generale.

Collegamento in parallelo di motori elettrici a un convertitore di frequenza

Per ridurre i costi, un convertitore di frequenza può essere utilizzato per controllare più motori elettrici. La sua potenza dovrebbe essere selezionata con un margine del 10-15% della potenza totale di tutti i motori elettrici. In tal modo, è necessario ridurre al minimo la lunghezza dei cavi del motore ed è altamente auspicabile installare un'induttanza del motore.

La maggior parte dei convertitori di frequenza non consente lo spegnimento o il collegamento dei motori tramite contattori mentre il convertitore di frequenza è in funzione. Questo viene fatto solo tramite il comando di arresto sul dispositivo.

Impostazione della funzione di controllo

Per ottenere le massime prestazioni dell'azionamento elettrico, quali: fattore di potenza, efficienza, capacità di sovraccarico, scorrevolezza di regolazione, durata, è necessario scegliere correttamente il rapporto tra la variazione della frequenza operativa e la tensione di uscita della frequenza convertitore.

La funzione di variazione della tensione dipende dal carattere di coppia del carico. A coppia costante, la tensione dello statore del motore deve essere controllata in modo proporzionale alla frequenza (controllo scalare U / F = const). Per un ventilatore, ad esempio, un altro rapporto è U/F * F = const. Se aumentiamo la frequenza di 2 volte, la tensione dovrebbe aumentare di 4 (controllo vettoriale). Esistono dispositivi con funzioni di controllo più complesse.

Vantaggi dell'utilizzo di un azionamento a velocità variabile con un convertitore di frequenza

Oltre ad aumentare l'efficienza e risparmiare energia, un tale azionamento elettrico consente di ottenere nuove qualità di guida. Ciò si riflette nel rifiuto di dispositivi meccanici aggiuntivi che creano perdite e riducono l'affidabilità dei sistemi: freni, ammortizzatori, valvole a farfalla, valvole, valvole di controllo, ecc. La frenata, ad esempio, può essere effettuata invertendo il campo elettromagnetico nello statore del motore. Cambiando solo il rapporto funzionale tra frequenza e tensione, otteniamo un diverso azionamento senza cambiare nulla nella meccanica.

Lettura della documentazione

Va notato che sebbene i convertitori di frequenza siano simili tra loro e avendone imparato uno, è facile gestire l'altro, tuttavia è necessario leggere attentamente la documentazione. Alcuni produttori impongono restrizioni sull'uso dei loro prodotti e se queste vengono violate, escludono il prodotto dalla garanzia.

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