Controllo motore con azionamento in frequenza: configurazione VFD, ottimizzazione e risparmio

Come funziona in pratica il controllo del motore del convertitore di frequenza

Un convertitore di frequenza rettifica la CA in ingresso in CC, quindi la inverte nuovamente in CA a una frequenza comandata. La velocità del motore è impostata principalmente dalla frequenza, mentre gli algoritmi di tensione e controllo regolano la coppia e la stabilità.

Velocità, coppia e perché la modalità di controllo è importante

La maggior parte delle applicazioni rientrano in due tipi di comportamento: coppia variabile (ventole/pompe) e coppia costante (trasportatori/estrusori). L'adattamento della modalità di controllo del convertitore al carico migliora la coppia a bassa velocità, il mantenimento della velocità e l'efficienza.

Quando un VFD è lo strumento giusto

• È necessaria una velocità regolabile per flusso, pressione, tensione o produttività.
• L'avviamento graduale riduce gli shock meccanici rispetto agli avviamenti su tutta la linea.
• I costi energetici sono elevati e il processo non richiede la massima velocità in modo continuo.
• Sono necessarie funzionalità di automazione di base come il controllo PID, la modalità sleep/wake o le preimpostazioni a più velocità.

Come dimensionare e selezionare un convertitore di frequenza per il controllo del motore

Il dimensionamento corretto è guidato da corrente a pieno carico del motore (FLA) e le richieste di sovraccarico del carico, non solo potenza/kW. Iniziare con la targa del motore, quindi applicare i requisiti di servizio dell'applicazione.

Regole di dimensionamento rapide che evitano viaggi fastidiosi

• Abbina la corrente nominale continua del convertitore al FLA del motore con un margine: ≥ 1,0× per ventilatori/pompe, ≥ 1,1–1,25× per coppia costante o accelerazioni frequenti.
• Controlla la classe di sovraccarico: molti azionamenti lo forniscono ~120% per gli anni '60 (coppia variabile) e ~150% per gli anni '60 (coppia costante), ma varia a seconda del modello.
• Tenere conto del tempo di accelerazione: rampe più brevi richiedono una coppia/corrente di picco più elevata.
• Declassare in base alla temperatura ambiente, all'altitudine, all'involucro e alla frequenza di commutazione, se specificato dal produttore del convertitore.

Esempio: come appare il "margine" con i numeri reali

Se un motore da 400 V, 30 kW ha una targhetta FLA di ~56A (la gamma tipica dipende dall'efficienza e dal fattore di potenza), scegliendo un convertitore con 60–70A la valutazione continua è spesso appropriata per il funzionamento di ventilatori/pompe. Per un trasportatore con avviamenti pesanti, passare a una trasmissione in grado di sostenere un sovraccarico maggiore può evitare inciampi durante l'accelerazione.

Lista di controllo di selezione per l'affidabilità

1. Alimentazione in ingresso: tensione, fase, valore nominale di cortocircuito e se sono consigliate reattanze di linea.
2. Tipo di motore: motori a induzione, PM o speciali; confermare la compatibilità dell'unità.
3. Esigenze di controllo: V/Hz vs vettoriale di base, feedback encoder, funzioni PLC integrate, bus di campo.
4. Frenatura: inerzia/arresto, iniezione CC, resistenza di frenatura dinamica o esigenze rigenerative.
5. Ambiente: polvere, umidità, vibrazioni; scegliere la custodia/classificazione IP e la strategia di raffreddamento.

Pratiche di cablaggio e installazione che mantengono stabile il controllo del motore VFD

La maggior parte dei problemi "misteriosi" dei VFD risalgono alla messa a terra, all'instradamento dei cavi o a pratiche errate dei cavi del motore. Una buona installazione riduce le interferenze elettromagnetiche, protegge l'isolamento del motore e migliora la precisione del controllo.

Elementi essenziali per cavi e messa a terra

• Utilizzare cavo motore schermato ove richiesto; terminare lo schermo a 360° secondo le migliori pratiche per il controllo del rumore ad alta frequenza.
• Mantenere i cavi del motore fisicamente separati dal cablaggio analogico/feedback; incrociarsi a 90° se devono intersecarsi.
• Collegare a terra l'azionamento, il telaio del motore e il pannello su un percorso di terra a bassa impedenza; evitare, quando possibile, le masse “a margherita”.
• Se i cavi del motore sono lunghi, prendere in considerazione filtri dV/dt o sinusoidali per ridurre lo stress della tensione delle onde riflesse.

Protezione del motore e dell'azionamento

Un'uscita VFD è una forma d'onda PWM, che può aumentare le correnti di cuscinetto e lo stress di isolamento in determinate configurazioni. La mitigazione può includere una messa a terra adeguata, cuscinetti isolati (se specificato), induttanze di modo comune e filtri di uscita, soprattutto con motori più vecchi o cavi molto lunghi.

Non farlo (modelli di errore comuni)

• Commutare il motore tra il convertitore e l'alimentazione di linea utilizzando contattori standard senza uno schema di trasferimento approvato dal convertitore.
• Metti i condensatori di correzione del fattore di potenza sull'uscita VFD.
• Condividere i comuni di riferimento analogico con circuiti rumorosi; utilizzare un adeguato isolamento del segnale ove necessario.

Fasi di messa in servizio per un controllo affidabile del motore del convertitore di frequenza

L'immissione di dati accurati sulla targa del motore e l'esecuzione della routine di identificazione del motore del convertitore sono le due fasi di configurazione di maggiore impatto per una produzione di coppia stabile e meno viaggi, soprattutto nelle modalità vettoriali.

Parametro minimo impostato da configurare per primo

1. Volt motore, corrente motore (FLA), frequenza base, velocità nominale (RPM) e potenza.
2. Modalità di controllo: V/Hz per coppia variabile, vettoriale per coppia costante o migliori prestazioni a bassa velocità.
3. Tempi di accelerazione/decelerazione e metodo di arresto (inerzia, rampa, iniezione DC, frenatura dinamica).
4. Limite di corrente e impostazioni di sovraccarico allineate alla capacità termica del motore.
5. Velocità min/max (Hz) ed eventuali vincoli di processo (ad esempio, velocità minima di raffreddamento per motori autoventilati).

Esempio di controllo PID per pompe e ventilatori

Per il controllo della pressione, il convertitore può regolare la velocità per mantenere un setpoint. Un approccio pratico iniziale prevede un guadagno proporzionale modesto e un'azione integrale lenta, quindi perfezionarlo in base alla risposta:

• Impostare correttamente la scala del trasduttore (ad esempio, 4–20 mA = 0–10 bar) per evitare di "sintonizzare" un segnale errato.
• Utilizza la logica sleep/wake quando la domanda è prossima allo zero per prevenire oscillazioni e ridurre l'usura.
• Applicare una velocità minima ragionevole per mantenere il raffreddamento della tenuta o il flusso minimo, se necessario.

Rampe: bilanciamento delle esigenze del processo e dei limiti elettrici

Se il convertitore scatta per sovracorrente durante l'accelerazione, aumentare il tempo di accelerazione o ridurre il carico di avviamento. Se scatta per sovratensione durante la decelerazione, estendere il tempo di decelerazione o aggiungere la frenatura dinamica. Per i carichi ad alta inerzia, l'hardware di frenatura spesso trasforma un arresto instabile in uno controllato.

Risparmio energetico e aumento delle prestazioni quantificabili

Il controllo del motore con convertitore di frequenza è finanziariamente più interessante sui carichi a coppia variabile. Le leggi di affinità forniscono una stima rapida: flusso ∝ velocità, prevalenza ∝ velocitಠe potenza ∝ velocità³. Ciò significa che piccole riduzioni di velocità possono produrre grandi riduzioni di kW.

Esempio concreto utilizzando la relazione di potenza cubica

Se un ventilatore utilizza 30 kW al 100% della velocità, all'80% della velocità la potenza all'albero stimata è 30 × 0,8³ = 30 × 0,512 ≈ 15,4 kW . Si tratta di una riduzione di circa 14,6 kW muovendo comunque circa l'80% del flusso d'aria (assumendo condizioni di sistema simili).

Dove i risparmi spesso deludono (e come rimediare)

• Se il processo necessita per la maggior parte del tempo di una coppia costante a una velocità prossima a quella nominale, i risparmi saranno limitati; concentrarsi invece su una manutenzione ridotta e un migliore controllo.
• Se gli smorzatori o le valvole a farfalla stanno ancora eseguendo il controllo "reale", spostare l'autorità di controllo sul VFD con PID e trattare il dispositivo meccanico come un limite di assetto o di sicurezza.
• Se la velocità minima è impostata su un valore troppo elevato, rivedere i vincoli del processo; anche una riduzione della velocità del 10% può ridurre la potenza della ventola/pompa del 27% circa.

Risoluzione rapida dei problemi di controllo del motore del convertitore di frequenza

Inizia identificando se l'intervento è correlato alla corrente, alla tensione o al segnale/controllo ; questo riduce rapidamente la causa principale e impedisce modifiche casuali dei parametri.

Mappa sintomo-causa

Una sintesi concisa delle “buone pratiche”.

Per ottenere risultati coerenti dal controllo del motore del convertitore di frequenza, dare priorità ai dati accurati del motore, alla modalità di controllo appropriata, alle rampe sensibili e all'installazione pulita. Se messo a punto e installato correttamente, il VFD diventa uno strumento di processo prevedibile, non una fonte di viaggi intermittenti.