Cosa conoscere dei convertitori di frequenza

• Che cos'è un convertitore di frequenza?

• Come funziona un convertitore di frequenza?

• Quali sono i vantaggi di un convertitore di frequenza?

• Quali tipi di convertitori di frequenza sono disponibili?

• Criteri di acquisto di convertitori di frequenza - a cosa bisogna fare attenzione?

• Le domande più frequenti sui convertitori di frequenza

 

Che cos'è un convertitore di frequenza?

Un convertitore di frequenza converte la tensione alternata comandata dalla rete elettrica locale in una tensione alternata con ampiezza e frequenza variabili. In questo modo è possibile generare tensioni che sono esattamente adattate al dispositivo collegato.

I convertitori di frequenza vengono utilizzati principalmente per migliorare il comportamento di avviamento e di velocità dei motori trifase. Senza convertitore di frequenza, tali motori non sarebbero regolabili in modo continuo, ma potrebbero essere utilizzati solo con la velocità costante specificata dalla rete elettrica.

I convertitori di frequenza possono essere progettati per due diverse modalità di funzionamento:

• Durante il funzionamento monofase, il convertitore viene collegato alla rete di corrente alternata tradizionale. Il nome della modalità di funzionamento si riferisce alla tensione di alimentazione, che in questo caso è monofase.

• Durante il funzionamento trifase, il convertitore viene alimentato con corrente trifase. Anche in questo caso il nome della modalità di funzionamento fa riferimento alla tensione di alimentazione, che è trifase con la relativa corrente trifase.

Con i convertitori di frequenza è possibile regolare in modo continuo i numeri di giri fino al regime nominale del motore, senza che la coppia del motore scenda. Se viene superata la velocità nominale, dove il motore raggiunge la massima potenza a pieno carico, l'uscita di coppia diminuisce.

 

Come funziona un convertitore di frequenza?

Affinché la tecnologia di azionamento possa regolare individualmente il numero di giri di un motore, la tensione di alimentazione del motore trifase deve avere una frequenza variabile. Deve essere quasi disaccoppiato dalla frequenza d'ingresso. A tal fine, la tensione di ingresso della rete elettrica, che ha una frequenza fissa, viene convertita in tensione continua. Questa tensione continua viene quindi emessa in rapida successione all'uscita. Lo schema elettrico seguente illustra la struttura:

Struttura e gruppi

Schema elettrico di principio di un convertitore di frequenza.

Rettifica (1)

Il raddrizzatore a ponte (diodo D1 - D6) "capovolge" le mezze onde negative delle tensioni AC sinusoidali di rete verso l'alto. In questo modo vengono utilizzate anche le percentuali negative della tensione alternata per alimentare il circuito successivo. In pratica si ottiene così una tensione continua con una certa ondulazione residua. Inoltre, i necessari filtri EMC (Eelettrommagnetico Vcompatibilità) sono integrati nella rettifica. In questo modo si garantisce che non vi siano interferenze di rete nel convertitore di frequenza o che non vi siano interferenze nella rete elettrica.

Circuito intermedio (2)

Nel circuito intermedio è montato un condensatore (C) che uniforma la ondulazione residua della tensione generata dal raddrizzatore. Per l'attenuazione di forti oscillazioni di corrente, alcune bobine (L) sono integrate nel circuito intermedio. Tuttavia, per illustrare la funzione le bobine sono meno rilevanti.

Molto più importante è il chopper del freno (chopper), che si trova anche nel circuito intermedio. Questo è composto da un interruttore elettronico (transistor T7) e una resistenza frenante (R). In questo modo l'energia in eccesso prodotta dal motore in modalità di spinta viene convertita in calore e il motore viene effettivamente frenato.

Invertitore (3)

L'invertitore assume il controllo del motore. In linea di principio, si può immaginare l'inverter come una disposizione di sei interruttori elettronici (transistor di potenza T1 - T6). Due transistor sono sempre collegati in serie, con un cavo di collegamento del motore che passa tra i transistor verso l'esterno. L'attivazione dei transistor avviene tramite un'elettronica di controllo dispendiosa.

Elettronica di controllo (4)

L'elettronica di controllo gestisce i transistor di potenza in base alle esigenze specifiche. A tale scopo, l'elettronica controllata da processore dispone degli ingressi necessari per un potenziometro regolatore o anche per i sistemi bus corrispondenti come ad esempio EtherCat, POWERLINK o PROFIBUS-DP. In alternativa, le impostazioni necessarie possono essere eseguite anche tramite un tastierino con display. Numerosi circuiti di protezione e uscite per i messaggi di stato e di errore completano la gamma di prestazioni dell'elettronica.

Filtro sinusoidale (5)

Nella tecnologia di azionamento, la commutazione di correnti molto elevate genera segnali di disturbo massicci. In questo modo il motore e, in particolare, anche gli isolamenti sono sottoposti a carichi elevati. Per questo motivo vengono utilizzati filtri sinusoidali che sopprimono tutte le interferenze e trasmettono una tensione sinusoidale pulita al motore (M).

Funzionamento dell'invertitore

Per generare una tensione di uscita sinusoidale, la tensione dovrebbe scendere dal valore "0" al rispettivo massimo e poi tornare a "0". Nel circuito intermedio è disponibile solo una tensione continua con un'altezza costante.

Per questo motivo viene utilizzata la modulazione a larghezza di impulsi (PWM). Ciò significa che l'alta tensione del circuito intermedio viene accesa e poi spenta di nuovo. . Dopo una breve pausa, la tensione viene nuovamente accesa e spenta. Questo ritmo di commutazione si ripete continuamente. 

Lo schema elettrico allegato illustra l'effetto degli impulsi di comando modulati a larghezza di impulsi. Anche se gli impulsi di commutazione sempre uguali non hanno un aspetto sinusoidale, hanno comunque un effetto sinusoidale rispetto alla corrente del motore. Gli impulsi di accensione stretti con lunghe pause tra gli impulsi generano una bassa corrente. Ampi impulsi con brevi pause creano un'elevata corrente del motore.

Per una migliore visione d'insieme, nel diagramma sono rappresentati solo pochi impulsi di commutazione. In pratica, tuttavia, vengono generati diverse migliaia di impulsi di commutazione al secondo. In questo modo, la frequenza e l'ampiezza della corrente del motore possono essere modificate singolarmente con la corrispondente configurazione.

 

Quali sono i vantaggi di un convertitore di frequenza?

In molte applicazioni è necessario che le sequenze di movimento si avviino lentamente e possano essere regolate in modo mirato in velocità.

Ciò non riguarda solo impianti industriali o macchinari. Anche l'ascensore nell'edificio dell'ufficio deve assolutamente partire con delicatezza e frenarsi delicatamente.

Oltre a un utilizzo più piacevole, un controllo con avvio progressivo ha anche un effetto molto positivo sull'usura di tutti i componenti meccanici e della trasmissione del movimento.

In precedenza, gli azionamenti a velocità controllata erano possibili solo con un controllo del tiristore e un motore a corrente continua ad alta intensità di costi e manutenzione.

Con un convertitore di frequenza è possibile utilizzare motori asincroni a basso costo, che richiedono inoltre solo una manutenzione minima.

 

Quali tipi di convertitori di frequenza sono disponibili?

Nel convertitore di frequenza indiretto descritto in precedenza, la tensione alternata in ingresso scorre in un raddrizzatore, che alimenta poi un circuito intermedio a tensione continua.

Nel circuito intermedio, la corrente viene raddrizzata da condensatori tampone e la soppressione delle interferenze è fornita da bobine induttive. Il circuito intermedio a sua volta alimenta un invertitore che emette una tensione di uscita nell'ampiezza e nella frequenza desiderate per il dispositivo da alimentare.

Al contrario, nell'inverter diretto (chiamato anche inverter a matrice) non esiste un collegamento CC. Invece, la direzione della frequenza viene eseguita in un unico circuito piuttosto complicato con diversi percorsi.

Un vantaggio fondamentale dei convertitori diretti è che funzionano quasi senza perdite con la stessa frequenza di ingresso e di uscita. Tuttavia, necessitano di un'alimentazione di energia senza interruzioni (sotto forma di corrente trifase). Inoltre, forniscono una tensione di uscita massima relativamente bassa.

Alimentazione di ritorno

Con i convertitori che possono essere alimentati di nuovo, la conversione avviene in entrambe le direzioni: È possibile trasferire l'energia che viene libera, ad esempio, durante un processo di frenatura, anche nella rete elettrica. In altre parole, il convertitore può essere utilizzato anche come generatore! Questo meccanismo è particolarmente utile quando le trasmissioni devono essere frenate spesso, ad esempio in centrifughe, ascensori o locomotive elettriche.

Buono a sapersi: selezionare motori adatti

Poiché nel convertitore si verificano scariche parziali con grandi variazioni di tensione e picchi di corrente elevati, l'isolamento degli avvolgimenti del motore è relativamente elevato. Per questo motivo, solo alcuni tipi di motore sono adatti per il funzionamento con convertitori di frequenza (si veda la norma DIN VDE 0530-25). Anche un cablaggio conforme alla compatibilità elettromagnetica del motore è essenziale.

 

Criteri di acquisto di convertitori di frequenza - a cosa bisogna fare attenzione?

I seguenti parametri tecnici di un convertitore di frequenza devono essere conformi ai requisiti dell'applicazione che si prevede di utilizzare:

• Quale tensione di ingresso è disponibile? A seconda del modello, i convertitori di frequenza possono lavorare a 230 V, 400 V, 480 V o 580 V corrente alternata o trifase.
• La tensione di uscita e la potenza di uscita massima che il convertitore può fornire devono adattarsi alla propria applicazione. Le potenze di uscita tipiche si muovono nell'intervallo da 0,1 a circa 20 kW. Il valore KW indica kilowatt, in cui 1000 watt corrispondono al valore di un kW.
• Anche la gamma di frequenza del convertitore deve contenere i valori desiderati. Alcuni dispositivi generano solo frequenze vicine alla frequenza di ingresso standard di 50 Hz (ad esempio da 48 a 62 Hz). Altri convertitori coprono l'intero spettro da 0 Hz a 650 Hz.
• La maggior parte dei convertitori di frequenza può essere collegata a bus di campo o Ethernet, ad esempio tramite un'interfaccia Profibus. I profili di azionamento fissati in modo obbligatorio nella norma IEC 61800-7 garantiscono che i convertitori di diversi produttori si comportano allo stesso modo sui bus di campo.
• Oltre ai collegamenti di potenza, i convertitori possono avere ulteriori ingressi e uscite. Inoltre è possibile collegare, ad esempio, un potenziometro per la regolazione della frequenza di uscita. Tuttavia, la maggior parte dei moderni convertitori di frequenza dispone di un'unità tastiera e di un display digitale per garantire un'interfacciamento confortevole al motore collegato. Alcuni convertitori possono essere configurati in modo completamente personalizzato con l'aiuto di un proprio linguaggio di programmazione. Il codice finito viene quindi caricato nel convertitore tramite un'altra interfaccia.

 

Le domande più frequenti sui convertitori di frequenza

Che cosa ne è della rampa di frequenza?

La rampa di frequenza è una modalità di impostazione, in cui il convertitore continua a far salire la frequenza della tensione di uscita da zero fino al valore desiderato. In questo modo è possibile evitare picchi di sovracorrente all'avvio del motore. Anche la frenatura del convertitore funziona meglio con una rampa di frequenza in questo caso discendente.

Ogni motore standard IEC può essere utilizzato con un convertitore di frequenza?

In linea di principio, sì, ma poiché i motori con convertitori di frequenza sono soggetti a carichi termici più elevati, l'isolamento di fase dovrebbe essere sempre installato negli avvolgimenti. Inoltre, è necessario selezionare con precisione il numero di poli del motore e quindi il numero di giri del rotore, in modo che anche sotto carico si possa ottenere un intervallo di regolazione pratico.

Che cos'è un convertitore (rotante)?

In un convertitore rotante vengono utilizzati componenti elettrici rotanti (ad esempio un motore elettrico e un generatore) per generare tensioni di uscita variabili. A differenza della macchina elettrica, i convertitori di frequenza non contengono alcun componente meccanico in movimento. Un convertitore rotante svolge quindi una funzione simile a quella di un convertitore di frequenza, ma l'adattamento della tensione avviene tramite un percorso elettromeccanico.

Qual è la differenza tra un convertitore di frequenza e un trasformatore?

Anche con un trasformatore è possibile produrre una tensione di uscita variabile da una tensione di ingresso fissa. Tuttavia, i trasformatori possono modificare solo l'ampiezza della tensione, non la frequenza. Per applicazioni complesse di corrente alternata e trifase, i trasformatori da soli non sono sufficienti. Tuttavia, vengono spesso utilizzati come componenti all'interno di convertitori di frequenza, ad esempio per generare diversi livelli di tensione.