Vi siete mai chiesti come funzionano i convertitori di frequenza e perché sono essenziali nei moderni sistemi elettrici? Questo articolo affronta 40 domande frequenti sui convertitori di frequenza, facendo luce sulle loro funzioni, sulle differenze nelle tecniche di modulazione e sulle applicazioni pratiche. Scoprirete il loro impatto sulle prestazioni dei motori, sull'efficienza energetica e sulla sicurezza operativa. Che siate ingegneri esperti o semplici curiosi, questa guida completa migliorerà la vostra comprensione di questi dispositivi vitali.
Un convertitore di frequenza è un dispositivo elettrico che regola la frequenza di un'alimentazione elettrica utilizzando dispositivi a semiconduttore di potenza per l'accensione e lo spegnimento. Può svolgere diverse funzioni, tra cui l'avvio graduale, la regolazione della velocità di conversione della frequenza, l'aumento della precisione operativa, la regolazione del fattore di potenza e la protezione da sovracorrenti, sovratensioni e sovraccarichi.
PWM è l'acronimo di Pulse Width Modulation (modulazione della larghezza degli impulsi) ed è una tecnica per regolare l'uscita e la forma d'onda modificando la larghezza degli impulsi di un treno di impulsi.
PAM è l'acronimo di Pulse Amplitude Modulation (modulazione di ampiezza degli impulsi) ed è un metodo per regolare il valore e la forma d'onda in uscita modificando l'ampiezza degli impulsi di un treno di impulsi secondo una legge specifica.
Il circuito principale di un convertitore di frequenza può essere classificato a grandi linee in due tipi:
Il convertitore di frequenza di tipo tensione converte la sorgente di tensione CC in CA. Il filtro del circuito CC in questo tipo di convertitore di frequenza è un condensatore.
Il convertitore di frequenza in modalità corrente, invece, converte la sorgente di corrente continua in corrente alternata. Il filtro ad anello CC in questo tipo di convertitore di frequenza è un induttore.
La coppia elettromagnetica di un motore è generata dall'interazione tra corrente e flusso magnetico. È fondamentale mantenere la corrente entro il valore nominale per evitare il surriscaldamento del motore.
Se il flusso magnetico diminuisce, diminuisce anche la coppia elettromagnetica, con conseguente riduzione della capacità di carico del motore.
Come si evince dalla formula E=4,44KFNΦ, durante la regolazione della velocità a frequenza variabile, il circuito magnetico del motore cambia in modo significativo con la frequenza operativa fX, il che può facilmente causare la saturazione del circuito magnetico, con conseguente grave distorsione della forma d'onda della corrente di eccitazione ed elevata corrente di picco.
Per evitare la debolezza del campo magnetico e la saturazione magnetica, è importante modificare la frequenza e la tensione in modo proporzionale, ossia controllare la tensione di uscita del convertitore di frequenza mentre si modifica la frequenza per mantenere un certo livello di flusso magnetico nel motore.
Questa modalità di controllo è comunemente utilizzata nei convertitori di frequenza a risparmio energetico per ventilatori e pompe.
Quando la frequenza diminuisce (a bassa velocità), se si mantiene la stessa potenza in uscita (potenza costante), la corrente aumenta. Tuttavia, se si mantiene la condizione di una certa coppia (coppia costante), la corrente rimane pressoché invariata.
Il convertitore di frequenza viene utilizzato durante il funzionamento aumentando gradualmente la frequenza e la tensione del motore. La corrente di avviamento è limitata a meno di 150% della corrente nominale (da 125% a 200% a seconda dei modelli).
Al contrario, quando si avvia direttamente con un alimentatore a frequenza di potenza, la corrente di avviamento può raggiungere 6-7 volte la corrente nominale, causando un impatto meccanico ed elettrico.
Utilizzando il convertitore di frequenza, il processo di avviamento diventa più fluido, con una corrente di avviamento da 1,2 a 1,5 volte la corrente nominale e una coppia di avviamento da 70% a 120% della coppia nominale.
Per i convertitori di frequenza con funzione di potenziamento automatico della coppia, la coppia di avviamento supera i 100% e consente l'avviamento a pieno carico.
Al diminuire della frequenza, anche la tensione (V) diminuisce proporzionalmente. Questa relazione tra V e f è stata spiegata in precedenza nella risposta 4.
La relazione proporzionale tra V e f è predeterminata in base alle caratteristiche del motore. In genere, diverse opzioni di caratteristiche sono memorizzate nel dispositivo di memoria (ROM) del controllore e possono essere selezionate tramite un interruttore o una manopola.
Quando la tensione si riduce in proporzione alla diminuzione della frequenza, la coppia a terra generata a bassa velocità tende a diminuire, poiché l'impedenza CA diventa più piccola e la resistenza CC rimane invariata.
Per ottenere una certa coppia di avviamento a bassa frequenza, è necessario aumentare la tensione di uscita. Questa compensazione è nota come avviamento potenziato.
Può essere ottenuta con vari metodi, tra cui un metodo automatico, la selezione di una modalità V/f o la regolazione di un potenziometro.
Sebbene la potenza possa essere erogata anche al di sotto dei 6Hz, la frequenza minima utilizzabile è di circa 6Hz, considerando fattori quali aumento della temperatura del motore, coppia di avviamento e altre condizioni. A questa frequenza, il motore può produrre la coppia nominale senza causare problemi di riscaldamento.
La frequenza di uscita effettiva (frequenza di avvio) del convertitore di frequenza varia da 0,5 a 3 Hz a seconda del modello.
In genere, no. Quando la tensione è superiore a 60 Hz (esistono anche modalità superiori a 50 Hz), presenta una caratteristica di potenza costante, richiedendo la stessa coppia ad alta velocità.
Il dispositivo motore utilizzato è dotato di un rilevatore di velocità (PG) che restituisce la velocità effettiva al dispositivo di controllo per il controllo, definito "anello chiuso". Al contrario, un dispositivo motore senza PG è chiamato "anello aperto".
La maggior parte dei convertitori di frequenza funziona in modalità ad anello aperto, anche se alcune macchine offrono l'opzione di retroazione PG.
La modalità di controllo ad anello chiuso senza sensore di velocità calcola la velocità effettiva del motore utilizzando un modello matematico e un flusso magnetico predeterminati, formando di fatto un controllo ad anello chiuso con un sensore di velocità virtuale.
In un sistema ad anello aperto, anche se il convertitore di frequenza emette una frequenza specifica, la velocità del motore può variare nell'intervallo dello scorrimento nominale (da 1% a 5%) quando funziona con un carico.
Per le applicazioni che richiedono un'elevata precisione di regolazione della velocità e che richiedono che il motore funzioni vicino alla velocità specificata anche se il carico cambia, è possibile utilizzare un convertitore di frequenza con funzione di retroazione PG (come caratteristica opzionale).
Il convertitore di frequenza con funzione di retroazione PG migliora la precisione. Tuttavia, l'accuratezza della velocità dipende sia dall'accuratezza del PG sia dalla risoluzione della frequenza di uscita del convertitore di frequenza.
Se il tempo di accelerazione specificato è troppo breve e la frequenza di uscita del convertitore di frequenza cambia molto più rapidamente della variazione di velocità (frequenza angolare elettrica), il convertitore di frequenza può intervenire e interrompere il funzionamento a causa di una sovracorrente, definita stallo.
Per evitare lo stallo e garantire che il motore continui a funzionare, è necessario monitorare la corrente e controllare la frequenza.
Se la corrente di accelerazione diventa troppo alta, la velocità di accelerazione deve essere rallentata di conseguenza. Lo stesso vale per la decelerazione.
La combinazione di queste azioni è nota come funzione di stallo.
L'accelerazione e la decelerazione possono essere specificate separatamente. Ciò è appropriato per accelerazioni di breve durata e decelerazioni lente, o per macchine utensili di piccole dimensioni in cui il tempo di battuta della produzione deve essere rigorosamente definito.
Tuttavia, per le trasmissioni a ventola e altre applicazioni con lunghi tempi di accelerazione e decelerazione, i tempi di accelerazione e decelerazione possono essere specificati insieme.
Se la frequenza di comando del motore viene diminuita durante il funzionamento, il motore diventa un generatore asincrono e agisce come un freno, noto come frenatura rigenerativa (elettrica).
L'energia generata dal motore durante la frenata rigenerativa viene immagazzinata nel condensatore di filtro del convertitore di frequenza.
Tuttavia, la forza frenante rigenerativa di un convertitore di frequenza generico è limitata a circa 10% - 20% della coppia nominale a causa della relazione tra la capacità del condensatore e la tensione di resistenza.
Utilizzando un'unità di frenatura opzionale, la forza frenante rigenerativa può essere aumentata da 50% a 100%.
Le funzioni di protezione possono essere suddivise in due categorie:
(1) Esegue automaticamente azioni di correzione dopo aver rilevato uno stato anomalo, come la prevenzione dello stallo da sovracorrente e la prevenzione dello stallo da sovratensione di rigenerazione.
(2) Blocca il segnale di controllo PWM del dispositivo a semiconduttore di potenza dopo aver rilevato un'anomalia, causando l'arresto automatico del motore. Tra gli esempi vi sono l'interruzione per sovracorrente, l'interruzione per sovratensione di rigenerazione, il surriscaldamento della ventola di raffreddamento del semiconduttore e la protezione da interruzione istantanea dell'alimentazione.
Quando si utilizza una frizione per collegare il carico, il motore passa improvvisamente da uno stato di assenza di carico a un'area con un elevato tasso di scorrimento al momento del collegamento. L'elevato flusso di corrente che ne deriva provoca l'intervento del convertitore di frequenza per sovracorrente, impedendone il funzionamento.
Quando il motore si avvia, fluisce una corrente di avviamento proporzionale alla sua capacità, che provoca una caduta di tensione nel trasformatore sul lato statore del motore. Se il motore ha una grande capacità, questa caduta di tensione può avere un impatto significativo.
Un convertitore di frequenza collegato allo stesso trasformatore può rilevare una sottotensione o attivare un arresto istantaneo. Di conseguenza, la funzione di protezione (IPE) può attivarsi, causando l'arresto del funzionamento.
Per i convertitori di frequenza a controllo digitale, anche se il comando di frequenza è un segnale analogico, la frequenza di uscita viene impostata in incrementi. L'unità più piccola di questo incremento è chiamata risoluzione di conversione della frequenza, che in genere è compresa tra 0,015 e 0,5 Hz.
Ad esempio, se la risoluzione è di 0,5Hz, la frequenza può essere modificata con incrementi di 0,5Hz, ad esempio da 23Hz a 23,5Hz e 24,0Hz, facendo funzionare il motore con incrementi.
Ciò può creare problemi per le applicazioni che richiedono un controllo continuo dell'avvolgimento. In questi casi, si consiglia una risoluzione di circa 0,015Hz. Con questa risoluzione, la differenza di uno stadio in un motore a 4 stadi è inferiore a 1R/min, garantendo una precisione sufficiente. Si noti che la risoluzione specificata per alcuni modelli potrebbe non corrispondere alla risoluzione di uscita effettiva.
L'effetto di raffreddamento del convertitore di frequenza è considerato nella progettazione della struttura interna e posteriore. Una ventilazione adeguata dipende anche dall'orientamento dell'unità.
Pertanto, si raccomanda di installare le unità a pannello e quelle montate a parete in verticale, quando possibile.
L'avviamento di un motore a una frequenza molto bassa è possibile, ma se la frequenza specificata è elevata, è simile all'avviamento diretto con un alimentatore di potenza. Ciò comporta una corrente di avviamento elevata (da 6 a 7 volte la corrente nominale), che provoca l'intervento del convertitore di frequenza per sovracorrente e impedisce l'avviamento del motore.
Quando il funzionamento è superiore a 60 Hz, è necessario tenere conto dei seguenti elementi:
(1) Assicurarsi che le macchine e i dispositivi siano in grado di funzionare a questa velocità, tenendo conto di fattori quali la resistenza meccanica, il rumore e le vibrazioni.
(2) Quando il motore raggiunge il campo di potenza costante, la sua coppia di uscita deve essere sufficiente per mantenere il funzionamento. Si noti che la potenza di uscita di ventilatori, pompe e altri alberi aumenta in proporzione al cubo della velocità, quindi è necessario prestare attenzione quando la velocità aumenta.
(3) Considerare l'impatto sulla durata dei cuscinetti.
(4) Per i motori di capacità media o superiore, in particolare quelli a 2 poli, è importante consultare il produttore prima di operare a una frequenza superiore a 60 Hz.
Quando si utilizza un riduttore, è necessario tenere presenti diversi aspetti, a seconda della sua struttura e metodo di lubrificazione.
Nelle strutture ad ingranaggi, si dovrebbe considerare un limite massimo di 70-80Hz.
Quando si utilizza la lubrificazione a olio, il funzionamento continuo a bassa velocità può causare danni all'ingranaggio.
Fondamentalmente no. Per i motori monofase con avviamento tramite interruttore del regolatore, l'avvolgimento ausiliario può bruciarsi nell'intervallo di regolazione della velocità al di sotto del punto di funzionamento.
Per la modalità di avvio o di funzionamento del condensatore, possono verificarsi esplosioni del condensatore.
L'alimentazione dei convertitori di frequenza è tipicamente trifase, ma per piccole capacità può essere utilizzata anche un'alimentazione monofase.
L'efficienza di un convertitore di frequenza dipende da diversi fattori, tra cui il modello, lo stato di funzionamento e la frequenza di utilizzo. È difficile fornire una risposta definitiva.
Tuttavia, si stima che l'efficienza dei convertitori di frequenza che operano al di sotto dei 60 Hz sia di circa 94% - 96%. Questo dato può essere utilizzato come base per il calcolo delle perdite.
È importante notare che il consumo di energia può essere maggiore se si considera la perdita durante la frenata.
Anche la progettazione di un pannello operativo efficace è fondamentale e deve essere oggetto di grande attenzione.
In genere, il motore viene raffreddato da una ventola esterna installata sull'albero o da pale sull'anello terminale del rotore.
Se la velocità viene ridotta, anche l'effetto di raffreddamento diminuisce, rendendo il sistema incapace di gestire lo stesso livello di calore che avrebbe durante il funzionamento ad alta velocità.
Per evitare che ciò accada, è necessario ridurre la coppia di carico a bassa velocità, utilizzare un convertitore di frequenza ad alta capacità in combinazione con il motore o scegliere un motore speciale progettato per il funzionamento a bassa velocità.
La fonte di alimentazione per il circuito di eccitazione del freno deve essere prelevata dal lato di ingresso del convertitore di frequenza.
Se il freno si innesta mentre il convertitore di frequenza sta ancora erogando potenza, può verificarsi un'interruzione per sovracorrente.
Per evitare che ciò accada, è importante assicurarsi che il freno si inserisca solo dopo che il convertitore di frequenza ha smesso di erogare potenza.
Per quanto riguarda l'impatto del condensatore del convertitore di frequenza sul fattore di potenza effettivo dopo la rimozione del convertitore di frequenza, è necessario adottare misure per migliorare il fattore di potenza causato dalla corrente che scorre nel condensatore del convertitore di frequenza.
Sebbene il convertitore di frequenza sia un dispositivo statico, comprende anche componenti consumabili come condensatori di filtro e ventole di raffreddamento.
Con una corretta manutenzione, questi componenti possono avere una vita utile di oltre 10 anni.
Per i modelli di piccola capacità con o senza ventole di raffreddamento:
Per i modelli dotati di ventole, l'aria fluisce dal basso verso l'alto, pertanto è importante non collocare alcun dispositivo meccanico che possa ostruire l'aspirazione e lo scarico nelle parti superiori e inferiori del luogo in cui è installato il convertitore di frequenza.
Inoltre, è importante evitare di collocare componenti sensibili al calore sopra il convertitore di frequenza.
In caso di guasto del ventilatore, il convertitore di frequenza è protetto dal rilevamento dell'arresto dell'elettroventilatore o dal rilevamento del surriscaldamento della ventola di raffreddamento.
Nel caso del condensatore utilizzato come filtro, la sua capacità elettrostatica diminuisce gradualmente nel tempo.
Si raccomanda di misurare regolarmente la capacità elettrostatica e di valutarne la durata in base al raggiungimento della 85% capacità nominale del prodotto.
In genere, il condensatore deve essere conservato in un contenitore a forma di disco.
Tuttavia, i contenitori a forma di disco completamente chiusi possono essere piuttosto grandi, occupare una quantità significativa di spazio e sono relativamente costosi.
Per affrontare questi problemi, si possono adottare le seguenti misure:
(1) La progettazione del disco deve tenere conto dei requisiti di dissipazione del calore del dispositivo;
(2) Per aumentare l'area di raffreddamento si possono utilizzare alette di alluminio e un refrigerante alettato.
Per ridurre le interferenze armoniche di alto ordine nella corrente di ingresso e migliorare il fattore di potenza dell'alimentazione di ingresso.
Il filtro sinusoidale consente al convertitore di frequenza di funzionare con un cavo motore lungo ed è adatto anche ai circuiti che includono un trasformatore intermedio tra il convertitore di frequenza e il motore.
Il valore della resistenza del potenziometro fornito con il convertitore di frequenza è in genere compreso tra 1K Ω e 10K Ω.
(1) Interferenze da radiazioni;
(2) Interferenze condotte.
I segnali di interferenza trasmessi tramite radiazioni possono essere efficacemente ridotti instradando e schermando adeguatamente la sorgente della radiazione e la linea disturbata.
I segnali di interferenza trasmessi attraverso la linea possono essere affrontati aggiungendo filtri, reattori o anelli magnetici sul lato di ingresso e di uscita del convertitore di frequenza.
I metodi e le precauzioni specifiche per ridurre le interferenze sono i seguenti:
(1) Le linee di segnale e di alimentazione devono essere incrociate o raggruppate verticalmente.
(2) Evitare di collegare cavi di metalli diversi l'uno all'altro.
(3) Lo strato di schermatura deve essere adeguatamente collegato a terra e la messa a terra deve essere continua e affidabile per tutta la sua lunghezza.
(4) Per i circuiti di segnale si deve utilizzare un cavo schermato a coppie intrecciate.
(5) Il punto di messa a terra dello strato di schermatura deve essere il più lontano possibile dal convertitore di frequenza e separato dal punto di messa a terra del convertitore di frequenza.
(6) È possibile utilizzare un anello magnetico sulla linea di alimentazione di ingresso e sulla linea di uscita del convertitore di frequenza.
Il metodo specifico per l'utilizzo di un anello magnetico è il seguente: La linea di ingresso può essere avvolta quattro volte nella stessa direzione, mentre la linea di uscita può essere avvolta tre volte nella stessa direzione.
Durante l'avvolgimento è importante tenere l'anello magnetico il più vicino possibile al convertitore di frequenza.
(7) Inoltre, per prevenire le interferenze, è possibile implementare schermature e altre misure anti-interferenza per le apparecchiature e gli strumenti disturbati.
La potenza consumata dal nastro trasportatore è direttamente proporzionale alla sua velocità.
Pertanto, se si desidera operare a 80Hz, la potenza del convertitore di frequenza e del motore deve essere aumentata proporzionalmente, il che significa un aumento di 60% rispetto alla capacità di 50Hz. Ciò significa che la capacità del convertitore di frequenza e del motore deve essere aumentata di 60%.
Nel controllo VVC (Variable Voltage and Variable Frequency), il circuito di controllo utilizza un modello matematico per calcolare l'eccitazione ottimale del motore in risposta alle variazioni del carico del motore e compensa il carico di conseguenza.
Inoltre, il circuito di controllo incorpora un metodo PWM sincrono a 60° implementato su un ASIC (Application-Specific Integrated Circuit) che determina il tempo di commutazione ottimale per i dispositivi a semiconduttore dell'inverter (IGBT).
Il circuito complessivo di un alimentatore a frequenza variabile è composto da componenti come la corrente costante CA e i filtri CA, che danno luogo a forme d'onda di tensione e corrente in uscita a onda sinusoidale pura che assomigliano molto a un alimentatore CA ideale.
È in grado di generare tensione e frequenza di rete per qualsiasi paese del mondo.
D'altra parte, il convertitore di frequenza è costituito da componenti come la corrente alternata costante (onda di modulazione) e altri circuiti. Il nome standard di questo dispositivo è regolatore di frequenza variabile.
Tuttavia, la forma d'onda della tensione di uscita del convertitore di frequenza è un'onda quadra a impulsi con numerose componenti armoniche. La tensione e la frequenza cambiano proporzionalmente allo stesso tempo e non possono essere regolate in modo indipendente, rendendolo inadatto all'uso come alimentatore.
In genere viene utilizzato solo per regolare la velocità di un motore asincrono trifase.
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