Cos’è un VFD? Gli azionamenti a frequenza variabile che fanno davvero la differenza

Un variatore di frequenza (VFD) controlla un motore CA convertendo l’alimentazione di rete a frequenza fissa in un’uscita a frequenza e tensione regolabili. Questa capacità è utile quando un processo richiede accelerazione controllata, velocità variabile, regolazione della coppia o arresto coordinato. Non è automaticamente un dispositivo per il risparmio energetico: il risultato dipende dal carico, dal ciclo di lavoro, dall’obiettivo di controllo, dal motore e dall’intero impianto elettrico.

Il caso di maggiore efficienza riguarda solitamente un ventilatore o una pompa centrifuga che in precedenza funzionava a piena velocità mentre una serranda o una valvola dissipava la capacità in eccesso. Trasportatori, miscelatori, estrusori, paranchi e macchine utensili possono giustificare l’uso di un variatore per il controllo del processo anziché per la riduzione dei consumi. Gli ingegneri dovrebbero iniziare dal profilo di carico e dai requisiti operativi, per poi selezionare il variatore.

Un VFD è parte di un sistema motore; il corretto funzionamento dipende dall’alimentazione, dall’involucro, dalle protezioni, dal cavo, dal motore, dal carico, dai comandi e dalle impostazioni di messa in servizio.

Come funziona la conversione dell’energia

Un comune VFD a bassa tensione dispone di tre sezioni principali di potenza. Il raddrizzatore converte la corrente alternata in ingresso in corrente continua. Il collegamento in CC utilizza condensatori e, a seconda del progetto, reattanze o altri componenti per livellare e immagazzinare l’energia. L’inverter commuta rapidamente i dispositivi a semiconduttore per creare un’uscita modulata a larghezza d’impulso che genera nel motore la tensione e la frequenza fondamentali richieste.

Il motore non riceve un’onda sinusoidale da laboratorio. Le rapide transizioni di tensione, la tensione di modo comune, la frequenza di commutazione, la capacità del cavo e le onde riflesse possono sollecitare l’isolamento e i cuscinetti. La lunghezza ammissibile del cavo motore e la necessità di reattanze di uscita, filtri dV/dt, filtri sinusoidali, messa a terra dell’albero o cuscinetti isolati dipendono dal variatore, dal motore, dalla tensione, dal cavo, dalla messa a terra e dall’installazione. Utilizzare le indicazioni applicative del produttore invece di una regola universale sulla distanza.

Il raddrizzatore, il collegamento in CC e l’inverter spiegano sia la capacità del variatore di controllare la velocità sia molte delle sue conseguenze sulla qualità dell’alimentazione e sull’isolamento del motore.

Adattare il metodo di controllo al carico

Il controllo volt/Hz mantiene un rapporto approssimativo tra tensione e frequenza ed è adatto a molte applicazioni semplici con ventilatori e pompe. Il controllo vettoriale sensorless stima il flusso e la coppia del motore per migliorare la risposta e le prestazioni a bassa velocità senza encoder. Il controllo vettoriale ad anello chiuso utilizza il feedback quando sono richiesti precisione della velocità, coppia a velocità zero o risposta dinamica. La terminologia varia a seconda del prodotto, quindi la selezione deve basarsi sulle prestazioni documentate e non soltanto sul nome della modalità.

I dati del motore devono essere inseriti correttamente. Tensione nominale, corrente, frequenza, velocità, potenza e talvolta fattore di potenza o altri valori consentono al variatore di proteggere e controllare il motore. Potrebbe essere necessaria una procedura di identificazione o di autotuning. Eseguirla nelle condizioni specificate dal produttore, con la macchina meccanicamente sicura e lo stato del carico ben compreso.

Utilizzare con cautela le leggi di affinità

Per un ventilatore o una pompa centrifuga geometricamente simile, operante nella regione appropriata, la portata è approssimativamente proporzionale alla velocità, la pressione o prevalenza al quadrato della velocità e la potenza al cubo della velocità. Il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti descrive i VFD come il tipo più comune di variatore a velocità regolabile e fornisce indicazioni sull’efficienza a carico parziale. Queste relazioni spiegano perché una modesta riduzione della velocità possa produrre una grande riduzione della potenza.

Il risultato della legge del cubo non garantisce un risparmio energetico per ogni sistema. Prevalenza statica, portata minima, efficienza dell’apparecchiatura, posizione di strozzamento, macchine in parallelo, vincoli di processo e perdite proprie del VFD influiscono tutti sul risultato. Misurare i punti operativi esistenti, costruire una curva dell’impianto, individuare la portata minima e massima richiesta e stimare l’energia annua sull’effettivo profilo di carico.

Dimensionare in base a corrente, coppia e servizio

Scegliere un variatore in base alla corrente del motore e al servizio applicativo, non soltanto ai kilowatt del motore. Un ventilatore a coppia variabile ha esigenze di sovraccarico diverse da quelle di un trasportatore carico, di una pompa volumetrica, di un frantoio o di un paranco. Verificare corrente continua, sovraccarico di breve durata, coppia di avviamento, tempo di accelerazione, temperatura ambiente, altitudine, involucro, declassamento dovuto alla frequenza portante e qualsiasi declassamento dovuto ai filtri di uscita.

Il variatore può limitare la corrente durante l’accelerazione, ma non può eliminare il requisito di coppia del carico. Una rampa irrealisticamente breve può causare limitazione di corrente, sovratensione durante la decelerazione o sollecitazioni meccaniche. I carichi ad alta inerzia richiedono un piano per l’energia: può essere appropriato un arresto più lungo, una resistenza di frenatura dinamica, un bus CC comune o un front-end rigenerativo. Non utilizzare il normale comando di arresto del variatore come soluzione per la progettazione dell’arresto di emergenza.

Gli impianti possono confrontare variatori e apparecchiature per il controllo del movimento compatibili, ma il codice di catalogo dovrebbe essere scelto dopo una revisione documentata del carico e dell’installazione. Quando un PLC coordina consensi, riferimenti di velocità, modalità e guasti, la piattaforma PLC e PAC dovrebbe scambiare stati espliciti invece di presumere che un bit di funzionamento dimostri che il motore o il processo siano in buone condizioni.

Pianificare il lato di ingresso e la qualità dell’alimentazione

Un variatore di base con raddrizzatore a diodi assorbe corrente non sinusoidale. Le prestazioni armoniche dipendono dall’impedenza della sorgente, dal carico del trasformatore, dal numero e dal carico dei variatori, dalle reattanze di linea o dagli induttori CC, dai filtri passivi o attivi e dalla topologia del front-end. Valutare le condizioni al punto di connessione comune con uno studio qualificato quando l’installazione è significativa. Anche un variatore pubblicizzato come a basse armoniche deve essere verificato nel sistema reale.

Le protezioni in ingresso e i dispositivi di sezionamento devono rispettare le istruzioni del produttore del variatore e le normative applicabili. La corrente nominale di cortocircuito, il tipo di fusibile o interruttore, la sezione dei conduttori, la messa a terra e la dissipazione termica dell’involucro non sono dettagli intercambiabili. Non installare condensatori di rifasamento sull’uscita di un VFD e verificare la configurazione di ingresso consentita prima di commutare condensatori o generatori a monte.

Integrare comandi, sicurezza e diagnostica

Un’interfaccia di controllo robusta distingue tra pronto, abilitato, in funzione, a velocità raggiunta, avviso, in guasto, controllo locale, comunicazione attiva e stato di Safe Torque Off. I comandi di avvio e reset dovrebbero utilizzare handshake definiti. I riferimenti di velocità devono avere unità, limiti, gestione delle rampe, comportamento di fallback e protezione dai dati di rete obsoleti. Decidere se una perdita di comunicazione debba causare un arresto controllato, mantenere l’ultima velocità, trasferire il controllo a un riferimento locale o seguire un altro stato previamente esaminato.

La funzione Safe Torque Off può impedire al variatore di produrre coppia sul motore quando è progettata correttamente, ma non necessariamente elimina la tensione pericolosa, applica un freno meccanico o arresta immediatamente un carico in inerzia. La valutazione dei rischi della macchina determina le funzioni di sicurezza necessarie, il livello di prestazione, il comportamento di arresto, il feedback e l’isolamento dell’energia. Le impostazioni dei parametri non sostituiscono tale valutazione.

Mettere in servizio con dati misurati

Prima del funzionamento, verificare i dati di targa del motore, il senso di rotazione, la messa a terra, la separazione dei cavi, le protezioni, il raffreddamento, il cablaggio di controllo, il circuito di sicurezza e il backup dei parametri. Eseguire una prova a bassa velocità in condizioni sicure, quindi verificare accelerazione, decelerazione, velocità minima e massima, limite di corrente, consensi di processo, perdita del riferimento, guasto di comunicazione, sovraccarico e risposta di emergenza.

Registrare tensione e corrente di ingresso, corrente del motore, velocità comandata ed effettiva, condizioni del carico, tensione del bus, temperature e valori di processo pertinenti. Indagare gli interventi ricorrenti per sovracorrente, sovratensione, guasto a terra o sovratemperatura invece di aumentare i limiti finché l’allarme scompare. Salvare il set finale di parametri insieme al firmware, ai dati del motore, alla cronologia delle modifiche e alle istruzioni di ripristino.

Prospettiva ingegneristica

Un VFD è efficace quando è adatto al motore e al carico, controlla il processo attraverso stati definiti e si integra nell’impianto elettrico senza creare nuovi problemi di affidabilità o sicurezza. Per i carichi centrifughi, il funzionamento a carico parziale misurato può giustificare notevoli risparmi energetici. Per i carichi a coppia costante o rigenerativi, possono prevalere coppia, frenatura, comportamento termico e integrità del controllo. Considerare il variatore come un componente ingegnerizzato del sistema, non come un contattore più intelligente, e il suo valore diventerà misurabile e mantenibile.