I dettagli sporchi dell’alimentazione elettrica: reattanze e filtri di linea/carico
Learn how line reactors, harmonic filters, output reactors, dV/dt filters, and sine filters address different VFD power-quality and motor-cable problems—and how to select them safely.
I sistemi e i componenti di controllo elettrico sono progettati per funzionare con tensioni e correnti specifiche. Inseriamo dispositivi come fusibili o interruttori automatici nel circuito elettrico per prevenire situazioni di sovracorrente, ma cosa succede in caso di brevi picchi di sovracorrente o sovratensione?
Picchi di tensione, sovratensioni e armoniche, oh mio dio!
Una sovratensione può essere causata da diverse fonti, come la tensione di alimentazione del sistema; i dispositivi all'interno dell'armadio di controllo possono generare sovratensioni e i cavi molto lunghi possono comportarsi come antenne che generano sovratensioni. Le correnti armoniche sono forme d'onda di corrente che si comportano in modo simile alle forme d'onda di sovratensione. In genere, le correnti armoniche sono generate da altri dispositivi elettrici, in particolare VFD, azionamenti servo o raddrizzatori.
Figura 1. Un filtro di linea viene comunemente utilizzato con i VFD. Immagine utilizzata per gentile concessione di KEB America
Quando la tensione o la corrente presenta picchi in un motore elettrico dimensionato per specifici parametri elettrici, l'isolamento si bucherella o si danneggia. Questo danno riduce la vita utile del motore o danneggia i componenti interni degli azionamenti o dei VFD, causando fermi macchina e richiedendo costosi interventi di manutenzione. Per questi motivi, è importante filtrare il rumore elettrico prima e, talvolta, dopo un azionamento a frequenza variabile.
Figura 2. Un reattore di linea viene utilizzato per uniformare le ondulazioni nei segnali di potenza. Immagine utilizzata per gentile concessione di AutomationDirect
Reattore di ingresso (di linea)
Un modo per filtrare le sovratensioni provenienti dall'impianto elettrico prima che vengano condizionate in un VFD consiste nell'utilizzare un reattore di linea. Installato nell'armadio di controllo e collegato prima del VFD, il reattore uniforma la forma d'onda della tensione in ingresso e, allo stesso tempo, attenua le ondulazioni della corrente assorbita. A livello di base, un reattore è un semplice induttore costituito da un nucleo di ferro e fili di rame avvolti attorno al nucleo; come gli induttori, anche i reattori sono classificati in base alla percentuale di induttanza.
Il reattore non limita la tensione in ingresso: rallenta semplicemente la velocità di variazione della tensione, talvolta indicata come dv/dt. Nelle applicazioni caratterizzate da grandi variazioni di tensione in un breve intervallo di tempo, un reattore potrebbe non essere d'aiuto, poiché il grande picco di tensione in ingresso non può distribuirsi prima del ciclo successivo. Rallentando i picchi di tensione in ingresso al VFD, si dovrebbe ottenere una riduzione dei guasti per sovratensione e dei danni ai componenti interni di ingresso dell'azionamento.
Figura 3. Questo grafico mostra gli effetti di un reattore sul lato della linea di ingresso del dispositivo. Immagine utilizzata per gentile concessione di Siemens
Filtro di ingresso (di linea)
Un filtro di linea è posizionato in modo simile a un reattore di linea, sul lato di ingresso del VFD. I picchi o le sovratensioni di potenza vengono ridotti mediante reattori interni, mentre con un filtro di linea la tensione massima viene limitata grazie all'ausilio di resistori e condensatori. Poiché il filtro di linea sopprime il rumore elettrico ad alta frequenza senza distribuire il picco nel tempo e mantiene la tensione al livello corretto, offre una protezione più efficace ai dispositivi elettrici sensibili situati a valle del filtro.
Reattore di uscita (di carico)
In alcune situazioni è necessario installare un reattore sul lato di uscita di un VFD, in genere quando la distanza tra il VFD e il motore è molto lunga, superiore a 100 piedi. Il reattore di uscita viene installato il più vicino possibile al VFD e funziona in modo simile al reattore di linea. Le ondulazioni sui picchi della forma d'onda vengono attenuate, riducendo i picchi di potenza problematici al motore. Se non vengono controllati, questi picchi di potenza possono danneggiare i motori.
Figura 4. Questo grafico mostra a sinistra i picchi di tensione di un VFD PWM non filtrato e a destra quelli con un reattore sul lato di carico del 5%. Immagine utilizzata per gentile concessione di Precision Automation
Filtro di uscita (di carico)
Analogamente a un filtro di ingresso, un filtro di uscita utilizza una serie di reattori, condensatori e resistori per filtrare il rumore elettrico generato dai dispositivi elettrici utilizzati all'interno del sistema. Come il filtro di ingresso, anche il filtro di uscita sopprime i picchi di tensione e corrente fino a un livello specifico, invece di limitarsi a distribuire il picco nel tempo. Utilizzando un filtro di uscita dopo un alimentatore o un VFD, è possibile ridurre i danni ai motori e agli altri dispositivi elettrici sensibili, nonché il rumore elettrico indesiderato all'interno del sistema.
Figura 5. I filtri di linea possono essere a telaio aperto oppure racchiusi in involucri montati verticalmente e orizzontalmente. Immagine utilizzata per gentile concessione di KEB America
Il costo delle funzioni
Nella progettazione elettrica, spesso inseriamo nei nostri progetti dispositivi che non fanno altro che proteggere o contribuire a ridurre l'usura dei dispositivi a valle. La decisione di utilizzare e acquistare questi componenti può essere difficile, perché non aumentano il numero di pezzi prodotti dall'apparecchiatura durante un turno né l'efficienza del processo. Nel caso dei filtri e dei reattori di linea, spesso il loro utilizzo è richiesto dal produttore del VFD e, se si sceglie di non installarli, la garanzia potrebbe decadere.
Alcune organizzazioni, come gli enti preposti alla marcatura CE, richiedono di prevenire il rumore elettrico nel sistema, non semplicemente di contrastarne gli effetti negativi. Per prevenire questo rumore, è necessario installare filtri di linea e/o di carico nell'apparecchiatura per superare l'ispezione. I filtri e i reattori contribuiscono inoltre a proteggere i motori, molto costosi, dall'usura prematura, consentendo di risparmiare riducendo i tempi di fermo.
Apparecchiature moderne sensibili
Oggi nelle apparecchiature industriali vengono utilizzati dispositivi alimentati a 5 VCC, come le luci dei sistemi di visione, i dispositivi di comunicazione seriale e i segnali di trigger. Questi dispositivi moderni possono essere attivati dal rumore elettrico presente nel sistema, causando luci lampeggianti, perdita della comunicazione o segnali di trigger imprevisti. Utilizzando filtri e reattori come prassi di progettazione standard, è possibile ridurre notevolmente il tempo dedicato alla risoluzione dei problemi quando le luci lampeggiano inaspettatamente o il sistema di dosaggio eroga il prodotto in modo imprevisto.