Variatori di frequenza (inverter) e controllo di velocità a V/f costante

Dentro un VFD

Quasi tutti i variatori hanno tre stadi:

• Raddrizzatore: un ponte a diodi converte la rete trifase in CA in CC.
• Bus CC: condensatori (e talvolta un'induttanza) livellano la CC. La tensione è circa √2 × V_linea, cioè intorno a 565 V da un'alimentazione a 400 V.
• Inverter: sei IGBT accendono e spengono il bus CC a diversi kHz, producendo una tensione trifase modulata a larghezza di impulso (PWM). La larghezza degli impulsi fissa la tensione efficace e l'ordine di commutazione fissa la frequenza.

L'induttanza del motore livella la corrente, che è quasi sinusoidale anche se la tensione è un treno di impulsi. Poiché l'uscita è generata elettronicamente, frequenza e tensione si impostano indipendentemente dalla rete.

La velocità segue la frequenza

La velocità di una macchina in CA è fissata dalla frequenza del campo statorico:

N_s = 120 × f / p

Per un motore a induzione a quattro poli, 50 Hz dà 1500 giri/min, 25 Hz dà 750 giri/min e 100 Hz dà 3000 giri/min. Il rotore gira un po' sotto questo valore, e lo scorrimento resta piccolo se l'azionamento mantiene flusso e carico del motore entro i limiti. Un motore sincrono a magneti permanenti (PMSM) segue esattamente la velocità di sincronismo, quindi la sua velocità è controllata da f senza scorrimento, e un PMSM standard (non a avviamento diretto da rete) richiede un azionamento per avviarsi e funzionare.

V/f costante e perché

Il flusso al traferro di un motore è proporzionale alla tensione divisa per la frequenza:

Φ ∝ V / f

Se si abbassa la frequenza ma si mantiene la tensione, flusso e corrente aumentano, il ferro si satura e il motore si surriscalda. Se si abbassa troppo la tensione, il flusso cala e con esso la coppia. Un azionamento scalare V/f mantiene quindi costante il rapporto. Per un motore da 400 V e 50 Hz significa 8 V per hertz.

• 50 Hz: 400 V, N_s = 1500 giri/min
• 25 Hz: 200 V, N_s = 750 giri/min
• 10 Hz: 80 V, N_s = 300 giri/min

Con flusso costante il motore può produrre la sua coppia nominale a qualsiasi velocità fino alla velocità base, il che si adatta a nastri trasportatori, argani e pompe.

Boost a bassa velocità

A bassa frequenza la caduta sulla resistenza statorica (I × R) non è più piccola rispetto alla tensione applicata. Con un rapporto V/f rigoroso la tensione rimasta per magnetizzare il motore è troppo bassa, e flusso e coppia calano. Gli azionamenti aggiungono un boost di tensione a bassa frequenza, spesso con un'impostazione di pochi punti percentuali della tensione nominale. Ripristina flusso e coppia di avviamento, ma un boost eccessivo surriscalda il motore a bassa velocità. Un motore con ventola sull'albero perde anche raffreddamento a bassa velocità, quindi il funzionamento continuo a bassa velocità a piena coppia può richiedere una ventola di raffreddamento separata.

Deflussaggio sopra la velocità base

L'azionamento non può dare in uscita più tensione di quanto consenta il bus CC, quindi sopra la frequenza base (qui 50 Hz) la tensione resta al valore nominale mentre la frequenza continua a salire. V/f cala, quindi il flusso si indebolisce. Il motore può girare più veloce, ma la coppia disponibile cala circa come 1/f, quindi la potenza resta circa costante. È la regione a potenza costante. Più in alto ancora, la coppia massima cala circa come 1/f².

Esempio: un motore da 4 kW a quattro poli con una coppia nominale di 26,5 N·m a 1440 giri/min e 50 Hz viene fatto funzionare a 75 Hz. La velocità di sincronismo è 2250 giri/min, quindi con uno scorrimento un po' maggiore gira a circa 2150 giri/min. La coppia continuativa disponibile è circa 26,5 × 50 / 75 ≈ 17,7 N·m, il che dà P = 17,7 × 2π × 2150 / 60 ≈ 4,0 kW, circa la potenza nominale. La velocità oltre quella base è limitata dalla costruzione meccanica del rotore e dei cuscinetti.

Controllo vettoriale

Il controllo scalare V/f è semplice ma regola la coppia solo indirettamente. Il controllo vettoriale (a orientamento di campo) misura le correnti statoriche, le converte in un sistema di riferimento rotante allineato con il flusso rotorico e regola separatamente due componenti: una che fissa il flusso e una che fissa la coppia. È così che si comporta una macchina CC. Dà una risposta rapida della coppia e una velocità precisa fin quasi a zero, con piena coppia a rotore fermo quando si usa un encoder (il controllo vettoriale senza sensore è buono a bassa velocità ma meno vicino a zero). Il controllo diretto di coppia è una tecnica affine. Per i PMSM il controllo vettoriale è lo standard, e l'angolo di corrente si usa anche per il deflussaggio.

Provalo nei simulatori

Nessuno dei due simulatori modella il raddrizzatore o l'inverter dell'azionamento, ma entrambi mostrano l'effetto di frequenza e tensione sul motore.

Nel simulatore del motore a induzione trifase, imposta il Metodo di avviamento su Inverter. Durante il Tempo di rampa (predefinito 5 s) frequenza e tensione salgono insieme, con un piccolo boost di tensione a bassa frequenza, e il simulatore mostra la Corrente di avviamento massima (× In) e il Tempo di avviamento. Usa la Frequenza di fornitura e la Tensione di linea applicata per confrontare 50 Hz e 25 Hz. La lettura Velocità sincrona segue la frequenza come prevede N_s = 120 × f / p.

Nel simulatore del motore sincrono a magneti permanenti (predefinito 2,2 kW, 400 V, quattro poli, 50 Hz), la lettura Velocità sincrona segue esattamente la Frequenza di fornitura. La lettura Angolo di carico è mostrata lì come percentuale della coppia massima, che segue V/f fino al flusso nominale (la coppia massima è 1,8 volte la nominale al flusso nominale):

• Imposta la Frequenza di fornitura a 25 Hz e la Tensione di linea applicata a 200 V. La velocità di sincronismo è 750 giri/min e la lettura dell'angolo di carico resta a circa il 31 % per il carico predefinito del 55 %.
• Mantieni 400 V e porta la frequenza a 75 Hz. È il deflussaggio: il flusso è 2/3 del nominale, e la lettura Angolo di carico sale a circa il 46 %.
• A 100 Hz e 400 V l'Angolo di carico arriva a circa il 61 %, e al 100 % di Carico meccanico il motore perde il passo.

Provalo nel simulatore