Fondamenti del bus CC negli azionamenti per motori industriali
Il bus in corrente continua è fondamentale per l’avviamento dei VFD e dei servoazionamenti. Comprendere il raddrizzamento, la carica dei condensatori, la sequenza di precarica e i comuni schemi di ...
Quando un VFD o un azionamento servo non passa allo stato pronto, va in protezione subito dopo l'energizzazione o genera ripetutamente guasti durante l'avviamento, l'attenzione si rivolge spesso direttamente al motore.
In molti casi, tuttavia, il motore non è ancora diventato parte del problema.
Il guasto potrebbe svilupparsi molto prima nel percorso di potenza dell'azionamento.
Il raddrizzatore, i condensatori del collegamento CC e il circuito di precarica entrano tutti in funzione prima che l'inverter possa fornire potenza controllata al motore.
La comprensione di questa sequenza iniziale rende molto più facili da interpretare molti guasti di avviamento.
Aiuta inoltre i tecnici a evitare la sostituzione di costosi moduli dell'azionamento basandosi solo su un codice di errore.
Figura 1. Sezione frontale semplificata di un azionamento industriale, con raddrizzamento, accumulo di energia nel collegamento CC e stadio inverter. Immagine per gentile concessione di Wake Industrial.
Che cosa fa realmente il bus CC
Un azionamento CA convenzionale contiene diverse importanti fasi di conversione della potenza.
Il raddrizzatore d'ingresso converte l'alimentazione CA in ingresso in CC.
Il collegamento CC, comunemente chiamato bus CC, immagazzina e livella tale energia utilizzando un banco di condensatori.
L'inverter commuta quindi elettronicamente l'alimentazione CC per creare l'uscita a frequenza e tensione variabili richiesta dal motore.
Per un azionamento trifase tipico, la tensione del bus CC è sostanzialmente superiore alla tensione RMS concatenata della linea CA in ingresso.
Un sistema a 480 VAC produce comunemente un bus CC carico nell'intervallo di circa 650–680 VCC.
Il valore esatto dipende dalla tensione in ingresso, dalla topologia dell'azionamento, dal carico e da altre condizioni elettriche.
Questo livello di tensione è uno dei motivi per cui il collegamento CC richiede particolare cautela durante la ricerca dei guasti.
Il bus immagazzina una notevole quantità di energia elettrica e può rimanere pericoloso anche dopo la disconnessione dell'alimentazione in ingresso.
Perché l'energizzazione dell'azionamento genera una corrente di spunto
I condensatori del collegamento CC iniziano l'avviamento in condizioni di scarica o di carica parziale.
Nel primo istante dell'energizzazione, presentano un'impedenza di carica molto bassa.
Senza limitazione della corrente, il raddrizzatore tenterebbe di caricare quasi immediatamente un grande banco di condensatori.
La corrente di spunto risultante potrebbe essere molte volte superiore alla corrente operativa normale.
L'impedenza del trasformatore, quella dell'alimentatore, i cavi e altri componenti a monte forniscono una certa limitazione.
Normalmente non sono progettati per fungere da meccanismo principale di limitazione della corrente di spunto dell'azionamento.
Una corrente di carica eccessiva può sottoporre a sollecitazioni i componenti del raddrizzatore, i fusibili, gli interruttori automatici e i dispositivi di commutazione.
La commutazione ripetuta di correnti elevate può inoltre accelerare l'usura dei contatti elettrici.
Per questo molti drive di grandi dimensioni utilizzano un circuito di precharge dedicato.
Il precharge controlla i primi secondi dell'avviamento
Il concetto di base del precharge è semplice.
Invece di collegare direttamente il banco di condensatori scarico al percorso completo di carica, il drive instrada inizialmente la corrente attraverso una resistenza o un altro circuito di carica controllato.
Questo limita la corrente mentre la tensione del bus CC aumenta.
Figura 2. Una tipica sequenza di precharge limita la corrente iniziale del condensatore prima che venga stabilito il normale percorso di alimentazione. Immagine per gentile concessione di Wake Industrial.
Durante una sequenza normale, la tensione del bus dovrebbe salire verso il livello previsto entro il tempo stabilito dalla progettazione del drive.
Una volta raggiunta la soglia di tensione richiesta, molti drive bypassano la resistenza di precharge tramite un relè o un contattore.
Su alcune apparecchiature, i tecnici possono percepire questa transizione come un clic udibile.
L'implementazione esatta varia tra produttori e famiglie di drive.
Alcuni drive più piccoli integrano queste funzioni nei circuiti elettronici invece di utilizzare un contattore esterno evidente.
Il principio rimane simile: controllare prima la carica del condensatore, quindi stabilire il normale percorso di alimentazione.
Se questa sequenza non si completa correttamente, il drive può rimanere in stato di carica, segnalare una sottotensione, dichiarare un timeout del precharge o semplicemente rifiutare di diventare pronto.
Perché i drive conservati richiedono particolare attenzione
I condensatori del collegamento CC sono generalmente condensatori elettrolitici.
Periodi prolungati senza tensione possono influire sulle loro condizioni dielettriche interne.
Per questo i principali produttori di drive pubblicano procedure di riformazione dei condensatori per le apparecchiature conservate per lunghi periodi.
La riformazione ripristina gradualmente le caratteristiche elettriche del condensatore prima del normale funzionamento.
Il metodo richiesto e l'intervallo di stoccaggio dipendono dal produttore del drive e dalla famiglia di prodotti.
I tecnici devono quindi seguire la procedura OEM applicabile, anziché applicare una regola generica di riformazione.
Questa considerazione è particolarmente importante quando si mettono in servizio drive di ricambio conservati a lungo o apparecchiature obsolete prelevate dalle scorte di magazzino.
Il raddrizzatore è il gateway verso il bus CC
Un raddrizzatore a diodi convenzionale è normalmente uno dei primi stadi principali a semiconduttori attraversati dall'alimentazione in ingresso.
Un diodo raddrizzatore o un ponte raddrizzatore in cortocircuito può creare un grave guasto sul lato d'ingresso.
Un possibile sintomo è l'intervento immediato del fusibile o dell'interruttore automatico quando il drive viene alimentato.
Tuttavia, questo sintomo non è esclusivo del raddrizzatore.
Componenti del collegamento CC in cortocircuito, dispositivi di soppressione delle sovratensioni o altri guasti dei semiconduttori di potenza possono produrre un comportamento simile.
Un percorso del raddrizzatore interrotto può produrre un quadro diverso.
L’azionamento può ancora mostrare segni di alimentazione dei circuiti di controllo mentre il bus CC non raggiunge o non mantiene il livello normale.
Una rettificazione anomala può inoltre aumentare l’ondulazione del bus e il riscaldamento dei componenti.
Per questo motivo, un intervento immediato all’ingresso dovrebbe essere considerato una prova di un problema significativo dello stadio di potenza, non la conferma del guasto di uno specifico dispositivo.
I condensatori del collegamento CC si guastano in modo diverso con l’invecchiamento
Il guasto di un condensatore non implica sempre una rottura spettacolare.
Un grave guasto interno può di fatto mettere in cortocircuito il collegamento CC e causare l’intervento immediato del dispositivo di protezione.
Il deterioramento graduale è più difficile da rilevare.
I condensatori elettrolitici possono perdere capacità effettiva e sviluppare una maggiore resistenza serie equivalente con l’invecchiamento.
L’azionamento può continuare a funzionare mentre le prestazioni di accumulo dell’energia peggiorano progressivamente.
I sintomi possono includere un aumento dell’ondulazione del bus, una ridotta stabilità sotto carico, eventi intermittenti di sottotensione o un comportamento anomalo durante la carica.
La temperatura, le ore di funzionamento e lo stress elettrico influenzano tutti la durata dei condensatori.
Una lunga permanenza in magazzino introduce una preoccupazione diversa e non dovrebbe essere automaticamente considerata come normale usura operativa.
Il circuito di precarica può guastarsi anche quando lo stadio principale di potenza è integro
Un azionamento può contenere un raddrizzatore e un banco di condensatori efficienti, ma guastarsi comunque durante l’avvio perché la sequenza di carica non può essere completata.
Un resistore di precarica interrotto può interrompere il percorso di carica controllata.
Un relè o contattore di bypass danneggiato può consentire la carica del bus, ma impedire all’azionamento di passare al normale funzionamento.
Anche i circuiti dell’azionamento che controllano quel dispositivo possono guastarsi.
Il rilevamento della tensione del bus introduce un altro possibile punto di guasto.
Se il bus effettivo raggiunge il livello richiesto ma il sistema di controllo non lo rileva correttamente, l’azionamento può comportarsi come se la carica non fosse mai stata completata.
Questa distinzione è utile durante la ricerca dei guasti.
Un bus CC a bassa tensione e un bus CC segnalato in modo errato sono problemi diversi, anche quando il conseguente guasto all’avvio appare simile.
Un intervento istantaneo all’accensione indica un grave guasto nello stadio di ingresso
La tempistica del guasto è uno degli indizi diagnostici più utili.
Se il fusibile di ingresso si apre quasi immediatamente all’applicazione dell’alimentazione, il tempo per l’avvio del normale funzionamento dell’azionamento è stato minimo.
L’attenzione dovrebbe quindi concentrarsi innanzitutto sullo stadio di ingresso dell’alimentazione e sul collegamento CC.
Le possibili cause includono un raddrizzatore in cortocircuito, un condensatore del collegamento CC in cortocircuito, un componente di soppressione guasto o un altro cortocircuito nella sezione di potenza dell’azionamento.
In alcuni progetti, anche un guasto dell’inverter a valle può influenzare il collegamento CC.
Il punto chiave è la tempistica.
Un intervento istantaneo indica una categoria di guasto diversa rispetto a un azionamento che si carica normalmente e si guasta solo dopo aver ricevuto un comando di marcia.
Un azionamento che rimane in precarica racconta una storia diversa
Un altro sintomo comune è un azionamento che alimenta il display o l’elettronica di controllo, ma non raggiunge mai lo stato di pronto.
Ciò spesso indica un problema nella sequenza di carica, piuttosto che un cortocircuito netto immediato.
Se la tensione del bus aumenta solo parzialmente, il tecnico potrebbe dover considerare il circuito di precarica, una dispersione eccessiva del collegamento CC o un carico anomalo sul bus.
Se il bus si avvicina alla tensione prevista, ma l’azionamento non passa mai dalla fase di carica, l’attenzione può spostarsi verso il dispositivo di bypass, il relativo circuito di controllo o il rilevamento della tensione.
Queste distinzioni sono più utili che sostituire componenti basandosi soltanto su un generico guasto all’avvio.
La sottotensione all’avvio può avere origine esterna all’azionamento
Non tutti i guasti di sottotensione del bus CC indicano che l’azionamento stesso è guasto.
L’alimentazione in ingresso deve essere valutata prima di dichiarare guasto l’azionamento.
Una fase mancante, uno squilibrio significativo tra le fasi o una sorgente debole possono interferire con la normale carica del bus CC.
Anche linee di alimentazione lunghe e un’infrastruttura a monte sottodimensionata possono causare una caduta di tensione durante l’evento di carica.
I sistemi alimentati da generatori meritano particolare attenzione, perché l’impedenza della sorgente e la risposta ai transitori possono differire sostanzialmente da quelle di una rete elettrica rigida.
Se la tensione di rete crolla mentre i condensatori si caricano, l’azionamento può segnalare correttamente una condizione di sottotensione anche se il suo stadio di potenza interno è integro.
Questo è uno dei motivi per cui i tecnici esperti degli azionamenti confrontano tutte e tre le tensioni di ingresso tra fase e fase prima di trarre conclusioni da un guasto del bus CC.
La sovratensione durante l’avvio è meno comune, ma possibile
La sovratensione è più comunemente associata alla rigenerazione del motore durante la decelerazione.
Tuttavia, possono verificarsi condizioni di sovratensione all’avvio.
Un’elevata tensione di rete in ingresso è una possibilità evidente.
Le architetture con bus CC condiviso aggiungono un’ulteriore variabile, perché diversi inverter o sezioni di alimentazione possono interagire attraverso il collegamento comune.
I front-end rigenerativi e i sistemi multi-asse possono rendere più complesso il rapporto tra la tensione di rete e la tensione del bus dell’inverter locale.
La ricerca dei guasti in questi sistemi richiede la comprensione dell’intera architettura del bus CC, anziché valutare un singolo azionamento in isolamento.
Ciò è particolarmente rilevante nei sistemi più grandi di azionamenti e controllo del movimento, in cui più assi possono condividere l’infrastruttura di alimentazione.
La curva di carica può rivelare ciò che il codice di guasto non può
I codici di guasto forniscono indicazioni utili, ma il comportamento del bus durante l’avviamento può offrire un ulteriore contesto.
Un sistema integro dovrebbe normalmente produrre un aumento regolare verso la tensione del bus prevista dal progetto.
Un collasso immediato suggerisce un problema diverso rispetto a una carica lenta e incompleta.
Un bus che raggiunge una tensione approssimativamente normale ma non entra mai nello stato pronto indica un’altra categoria di problema.
Per questo i tecnici spesso ragionano in termini di sequenze anziché di singole letture di tensione.
Il drive è andato in protezione immediatamente?
Il bus CC ha iniziato a caricarsi?
Ha raggiunto la regione prevista?
La fase di precarica è passata allo stato successivo?
Il guasto si è verificato prima o dopo il comando di marcia?
Queste domande riducono progressivamente il numero dei sottosistemi probabili.
Misurare l’alimentazione CA prima di condannare il drive
Uno degli errori di diagnostica più semplici consiste nel presumere che l’alimentazione trifase sia corretta perché è presente tensione.
È necessario confrontare le tre misure fase-fase.
Una fase mancante o uno squilibrio significativo possono creare sintomi difficili da interpretare.
Ove pratico e consentito dalle procedure del sito, occorre considerare anche la tensione di ingresso durante l’effettivo evento di carica.
Un’alimentazione che appare adeguata con un carico ridotto può comportarsi diversamente quando i condensatori del collegamento CC iniziano a caricarsi.
Per gli stabilimenti che gestiscono più piattaforme VFD e drive CA, documentare il normale comportamento all’avviamento può rendere notevolmente più semplici i confronti futuri.
Le misure del bus CC richiedono rigore nell’alta tensione
Il bus CC è uno dei punti più pericolosi all’interno di un drive industriale.
Può presentare diverse centinaia di volt CC e immagazzinare energia anche dopo la rimozione dell’alimentazione in ingresso.
Un display spento non dimostra che il collegamento CC sia scarico.
Devono essere rispettati i tempi di scarica e le istruzioni di sicurezza del produttore OEM.
Le procedure di blocco e apposizione dei cartelli di sicurezza restano obbligatorie ove applicabili.
L’assenza di tensione deve essere verificata utilizzando apparecchiature con caratteristiche nominali adeguate e procedure di sicurezza elettrica consolidate.
Le misure del bus CC sotto tensione devono essere eseguite esclusivamente da personale formato e autorizzato per questo lavoro.
I tecnici devono inoltre ricordare che, a questi livelli di energia, la categoria del multimetro, la tensione nominale, i puntali e il metodo di misurazione sono importanti.
I controlli della resistenza offline possono fornire indicazioni, ma non risposte definitive
Dopo aver isolato in sicurezza il drive e aver verificato che il bus CC sia scarico, le misure di resistenza possono aiutare a individuare un cortocircuito evidente.
Tuttavia, le letture tra CC+ e CC− richiedono un'interpretazione.
I condensatori possono caricarsi tramite il misuratore stesso, facendo variare la resistenza indicata.
Anche i percorsi dei semiconduttori interni e i circuiti ausiliari possono influenzare la lettura.
Un valore di resistenza variabile non costituisce quindi un test universale di superamento o mancato superamento per i condensatori.
Le procedure di test dei componenti dell'OEM dovrebbero avere la precedenza quando è necessario eseguire test dettagliati dello stadio di potenza.
Figura 3. La ricerca dei guasti dell'azionamento dovrebbe collegare il sintomo osservato al sottosistema corretto dello stadio di potenza prima di sostituire i componenti. Immagine per gentile concessione di Adobe Stock.
La tempistica del sintomo è spesso il filtro diagnostico più rapido
Una strategia pratica di ricerca dei guasti inizia identificando esattamente quando si verifica il guasto.
Un intervento istantaneo all'eccitazione rende più probabile un grave guasto elettrico del front-end.
Un azionamento che inizia a caricarsi ma non diventa mai pronto fa pensare più probabilmente al completamento della precarica, al rilevamento del bus o a funzioni di controllo correlate.
Un guasto di sottotensione durante la carica dovrebbe indurre a esaminare sia l'alimentazione in ingresso sia il percorso di carica interno.
Un azionamento che raggiunge la normale tensione del bus e si guasta solo dopo aver ricevuto un comando di marcia appartiene a un ramo diagnostico diverso.
A quel punto, l'uscita dell'inverter, il cablaggio del motore, le condizioni del motore e il comportamento del carico diventano più rilevanti.
Questo approccio basato sulla sequenza impedisce che l'indagine passi casualmente da un componente non correlato all'altro.
I primi secondi raccontano gran parte della storia
Il bus CC è essenzialmente un serbatoio di energia situato tra il raddrizzatore e l'inverter dell'azionamento.
Il suo comportamento durante l'avviamento è prevedibile perché l'azionamento deve completare una sequenza elettrica definita prima che possa iniziare il normale controllo del motore.
La corrente alternata in ingresso viene raddrizzata.
Il banco di condensatori si carica attraverso un percorso controllato.
Il bus si avvicina alla tensione operativa.
Lo stadio di precarica passa al normale percorso di potenza.
Il sistema di controllo conferma le condizioni necessarie e consente all'azionamento di diventare pronto.
Quando l'avviamento non riesce, determinare dove si è interrotta questa sequenza è spesso più utile che leggere da sola la segnalazione finale del guasto.
Cortocircuiti netti, precarica incompleta, condensatori degradati, problemi di rilevamento della tensione del bus e cali di tensione lato impianto producono schemi diversi.
Comprendere questi schemi trasforma la ricerca dei guasti sul bus CC da una sostituzione di componenti a una diagnosi strutturata.
Per i tecnici che lavorano con VFD industriali e sistemi servo, il periodo più informativo potrebbe quindi essere il più breve: i primi secondi dopo l'applicazione dell'alimentazione.