Quando un VFD o un azionamento servo non riesce a entrare nello stato di pronto, scatta subito dopo l'alimentazione o segnala ripetutamente un guasto durante l'avviamento, l'attenzione si rivolge spesso direttamente al motore.

In molti casi, tuttavia, il motore non è ancora entrato a far parte del problema.

Il guasto potrebbe svilupparsi molto prima nel percorso di alimentazione dell'azionamento.

Il raddrizzatore, i condensatori del collegamento CC e il circuito di precarica funzionano tutti prima che l'inverter possa fornire al motore una potenza controllata.

Comprendere questa sequenza del front-end rende molto più facile interpretare molti guasti all'avviamento.

Aiuta inoltre i tecnici a evitare di sostituire costosi moduli dell'azionamento basandosi esclusivamente su un codice di errore.

Figura 1. Front-end semplificato di un azionamento industriale che mostra la rettificazione, l'accumulo di energia nel collegamento CC e lo stadio inverter. Immagine per gentile concessione di Wake Industrial.

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 mediante un banco di condensatori.

L'inverter commuta quindi elettronicamente l'alimentazione CC per creare l'uscita a frequenza e tensione variabili richiesta dal motore.

In un tipico azionamento trifase, 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 nella regione di circa 650–680 VDC.

Il valore esatto dipende dalla tensione in ingresso, dalla topologia dell'azionamento, dal carico e da altre condizioni elettriche.

Quel livello di tensione è uno dei motivi per cui il collegamento CC richiede particolare cautela durante la ricerca dei guasti.

Il bus immagazzina una quantità significativa di energia elettrica e può rimanere pericoloso anche dopo la disconnessione dell'alimentazione in ingresso.

Perché l'alimentazione dell'azionamento genera una corrente di spunto

I condensatori del collegamento CC iniziano l'avviamento scarichi o parzialmente scarichi.

Nel primo istante dell'alimentazione, 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 di esercizio 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 sollecitare i componenti del raddrizzatore, i fusibili, gli interruttori automatici e i dispositivi di commutazione.

Le commutazioni ripetute ad alta corrente possono inoltre accelerare l'usura dei contatti elettrici.

Ecco perché molti azionamenti di potenza maggiore utilizzano un circuito di precarica dedicato.

Il precharge controlla i primi secondi dell'avviamento

Il concetto di base alla base del precharge è semplice.

Anziché collegare direttamente il banco di condensatori scarico al percorso di carica completo, il convertitore convoglia inizialmente la corrente attraverso una resistenza o un altro circuito di carica controllato.

Ciò limita la corrente mentre la tensione del bus CC aumenta.

Figura 2. Una tipica sequenza di precharge limita la corrente iniziale dei condensatori 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 aumentare fino al livello previsto entro il tempo stabilito dal progetto del convertitore.

Una volta raggiunta la soglia di tensione richiesta, molti convertitori bypassano la resistenza di precharge utilizzando un relè o un contattore.

Su alcune apparecchiature, i tecnici possono percepire questa transizione come un clic udibile.

L'implementazione esatta varia a seconda dei produttori e delle famiglie di convertitori.

Alcuni convertitori più piccoli integrano queste funzioni nei circuiti elettronici anziché utilizzare un contattore esterno evidente.

Il principio rimane simile: controllare prima la carica dei condensatori, quindi stabilire il normale percorso di alimentazione.

Se questa sequenza non si completa correttamente, il convertitore potrebbe rimanere nello stato di carica, segnalare una sottotensione, dichiarare un timeout del precharge o semplicemente rifiutarsi di diventare pronto.

Perché i convertitori immagazzinati richiedono particolare attenzione

I condensatori del bus CC sono generalmente condensatori elettrolitici.

Periodi prolungati senza tensione possono influire sulle loro condizioni dielettriche interne.

Per questo i principali produttori di convertitori pubblicano procedure di riformatura dei condensatori per le apparecchiature immagazzinate per lunghi periodi.

La riformatura ripristina gradualmente le caratteristiche elettriche del condensatore prima del funzionamento normale.

Il metodo richiesto e l'intervallo di stoccaggio dipendono dal produttore del convertitore e dalla famiglia di prodotti.

I tecnici devono quindi seguire la procedura OEM applicabile anziché applicare una regola generica di riformatura.

Questa considerazione è particolarmente importante quando si mettono in servizio convertitori di riserva rimasti a lungo in magazzino o apparecchiature obsolete prelevate dalle scorte di magazzino.

Il raddrizzatore è la porta d'accesso al 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 causare un grave guasto sul lato di ingresso.

Un possibile sintomo è l'intervento immediato del fusibile o dell'interruttore automatico quando il convertitore viene alimentato.

Tuttavia, questo sintomo non è esclusivo del raddrizzatore.

Componenti del bus 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 comportamento diverso.

L’azionamento può continuare a mostrare segni di alimentazione del 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 nello stadio di potenza, non la dimostrazione che sia guasto un dispositivo specifico.

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 cortocircuitare il collegamento CC e provocare l’intervento immediato del dispositivo di protezione.

Il deterioramento graduale è più subdolo.

Con l’invecchiamento, i condensatori elettrolitici possono perdere capacità effettiva e sviluppare una maggiore resistenza serie equivalente.

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 influiscono tutti sulla 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 integri, ma continuare a guastarsi 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 il circuito dell’azionamento che controlla quel dispositivo può guastarsi.

Il rilevamento della tensione del bus aggiunge un altro possibile punto di guasto.

Se il bus reale 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 del guasto.

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.

L’intervento istantaneo all’accensione indica un grave guasto nello stadio anteriore

La tempistica del guasto è uno degli indizi diagnostici più utili.

Se il fusibile di ingresso si apre quasi immediatamente all’applicazione dell’alimentazione, c’è stato poco tempo perché iniziasse il normale funzionamento dell’azionamento.

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.

Un guasto dell’inverter a valle può influenzare anche il collegamento in corrente continua in alcuni progetti.

Il punto chiave è la tempistica.

Un intervento istantaneo suggerisce 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 indica spesso 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, i relativi circuiti di comando o il rilevamento della tensione.

Queste distinzioni sono più utili che sostituire componenti basandosi soltanto su un generico guasto all'avviamento.

La sottotensione all'avviamento 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 la 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 linea 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 concatenate in ingresso prima di trarre conclusioni da un guasto del bus CC.

La sovratensione all'avviamento 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'avviamento.

Un'elevata tensione di linea in ingresso è una possibilità evidente.

Le architetture con bus CC condiviso aggiungono un'altra 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 linea e la tensione del bus dell'inverter locale.

La diagnosi di 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, dove 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'avvio può offrire un contesto aggiuntivo.

Un sistema funzionante dovrebbe normalmente produrre un aumento regolare verso la tensione del bus prevista dal progetto.

Un collasso immediato indica un problema diverso rispetto a una carica lenta e incompleta.

Un bus che raggiunge una tensione approssimativamente normale ma non passa mai allo stato pronto suggerisce un'altra categoria di problema.

Per questo i tecnici ragionano spesso in termini di sequenze, anziché di singole letture di tensione.

Il drive è andato immediatamente in protezione?

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 diagnosi più semplici consiste nell'affermare che l'alimentazione trifase sia corretta solo perché è presente tensione.

È necessario confrontare le tre misure tra fase e fase.

La mancanza di una fase o uno squilibrio significativo può generare sintomi confusi.

La tensione di ingresso dovrebbe essere considerata anche durante l'effettivo evento di carica, ove pratico e consentito dalle procedure del sito.

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 diverse piattaforme VFD e drive CA, documentare il normale comportamento all'avvio 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.

È necessario seguire i tempi di scarica e le istruzioni di sicurezza del produttore.

Le procedure di lockout/tagout restano obbligatorie ove applicabili.

L'assenza di tensione deve essere verificata utilizzando apparecchiature adeguatamente dimensionate e pratiche di sicurezza elettrica consolidate.

Le misure del bus CC sotto tensione devono essere eseguite esclusivamente da personale formato e autorizzato a svolgere questo lavoro.

I tecnici devono inoltre ricordare che, a questi livelli di energia, contano la categoria dello strumento, la tensione nominale, i puntali e il metodo di misura.

I controlli della resistenza a drive disalimentato forniscono indicazioni, non risposte definitive

Dopo aver isolato in sicurezza il drive e verificato che il bus CC sia scarico, le misure di resistenza possono aiutare a individuare un cortocircuito evidente.

Tuttavia, le letture tra DC+ e DC− richiedono un'interpretazione.

I condensatori possono caricarsi tramite lo stesso strumento di misura, causando una variazione della resistenza indicata.

Anche i percorsi interni dei semiconduttori e i circuiti ausiliari possono influenzare la lettura.

Un valore di resistenza variabile non costituisce quindi un test universale di superamento o fallimento per un condensatore.

Le procedure del produttore per il test dei componenti OEM dovrebbero avere la priorità quando è necessario eseguire test dettagliati dello stadio di potenza.

Figura 3. La ricerca 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 guasti inizia identificando esattamente quando si verifica il guasto.

Un intervento istantaneo all'eccitazione rende più probabile un grave guasto elettrico dello stadio di ingresso.

Un azionamento che inizia a caricarsi ma non diventa mai pronto fa pensare maggiormente 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 diverso ramo della ricerca guasti.

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 posizionato 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 di esercizio.

La fase di precarica passa al normale percorso di alimentazione.

Il sistema di controllo conferma le condizioni necessarie e consente all'azionamento di diventare pronto.

Quando l'avviamento non riesce, determinare dove si è arrestata questa sequenza è spesso più utile che leggere da solo il messaggio di guasto finale.

Cortocircuiti netti, precarica incompleta, condensatori degradati, problemi di rilevamento della tensione del bus e cali di tensione sul lato impianto producono schemi diversi.

Comprendere questi schemi trasforma la ricerca dei guasti sul bus CC da una sostituzione casuale dei componenti a una diagnosi strutturata.

Per i tecnici che lavorano con VFD industriali e sistemi servo, il periodo più informativo può quindi essere il più breve: i primi secondi dopo l'applicazione dell'alimentazione.