In varie situazioni può essere necessario convertire la frequenza della corrente di origine in una tensione di frequenza regolabile. Questo è necessario, per esempio, quando si fanno funzionare i motori asincroni per cambiare la loro velocità. Questo articolo descriverà lo scopo e il principio del convertitore di frequenza.
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Cos'è un convertitore di frequenza
Un convertitore di frequenza (FC) è un apparecchio elettrico che converte e regola in modo continuo una corrente alternata monofase o trifase ad una frequenza di 50 Hz in una corrente simile ad una frequenza da 1 a 800 Hz. Questi dispositivi sono ampiamente utilizzati per controllare il funzionamento di varie macchine elettriche di tipo asincrono, ad esempio per cambiare la loro velocità. Ci sono anche apparati per l'uso in reti industriali ad alta tensione.
I convertitori semplici regolano la frequenza e la tensione secondo una caratteristica V/f, i dispositivi complessi usano il controllo vettoriale.
Un convertitore di frequenza è un dispositivo tecnicamente complesso e consiste non solo in un convertitore di frequenza, ma ha anche una protezione da sovracorrente, sovratensione e cortocircuito. Tali apparecchiature possono anche avere un'induttanza per migliorare la forma d'onda e filtri per ridurre varie interferenze elettromagnetiche. Si fa una distinzione tra convertitori elettronici e dispositivi elettromeccanici.
Principio di funzionamento di un convertitore di frequenza
Un convertitore di frequenza elettronico è costituito da diversi componenti di base: raddrizzatore, filtro, microprocessore e inverter.
Il raddrizzatore ha un fascio di diodi o tiristori che raddrizzano la corrente iniziale all'ingresso del convertitore. Gli inverter a diodi sono caratterizzati dalla completa assenza di ondulazione e sono dispositivi poco costosi ma affidabili. Gli inverter a tiristori permettono il flusso di corrente in entrambe le direzioni e consentono di restituire l'energia elettrica alla rete quando il motore viene frenato.
Filtro è usato nelle unità basate su tiristori per ridurre o eliminare l'ondulazione di tensione. L'appianamento è fatto con filtri capacitivi o induttivo-capacitivi.
Il microprocessore - è l'unità di controllo e valutazione dell'inverter. Riceve e valuta i segnali dai sensori, che permettono al segnale di uscita dell'inverter di essere regolato dal regolatore PID integrato. Questo componente registra e memorizza anche i dati degli eventi, registra e protegge l'unità contro il sovraccarico, il cortocircuito, analizza le condizioni di funzionamento e si spegne in caso di emergenza.
Inverter Il controllo di tensione e corrente è usato per controllare le macchine elettriche, cioè per regolare continuamente la frequenza della corrente. Un tale dispositivo produce un'uscita "sinusoidale pura", che gli permette di essere utilizzato in molte applicazioni industriali.
Il principio di funzionamento di un convertitore di frequenza elettronico (inverter) è il seguente:
- La corrente sinusoidale AC monofase o trifase in ingresso viene raddrizzata da un ponte di diodi o da tiristori;
- Filtri speciali (condensatori) filtrano il segnale per ridurre o eliminare le ondulazioni di tensione;
- La tensione viene convertita in un'onda trifase con parametri definiti per mezzo di un microcircuito e un ponte di transistor;
- All'uscita dell'inverter, gli impulsi rettangolari sono convertiti in una tensione sinusoidale con parametri definiti.
Tipi di convertitori di frequenza
Ci sono diversi tipi di convertitori di frequenza, che sono attualmente i più comuni per la produzione e l'uso:
Convertitori elettro-macchina (elettro-induzione): sono utilizzati quando l'uso di convertitori di frequenza elettronici non è possibile o fattibile. Sono motori asincroni con rotori avvolti in fase che funzionano in modalità generatore-convertitore.
Queste unità sono convertitori di controllo scalari. L'uscita di questa unità genera una tensione di una data ampiezza e frequenza per mantenere un certo flusso magnetico negli avvolgimenti dello statore. Sono utilizzati in applicazioni dove non è necessario mantenere la velocità del rotore in funzione del carico (pompe, ventilatori e altre apparecchiature).
convertitori elettronici: ampiamente utilizzato in tutte le condizioni operative per una varietà di attrezzature. Questi dispositivi sono vettoriali, calcolano automaticamente l'interazione dei campi magnetici di statore e rotore e forniscono una velocità costante del rotore indipendentemente dal carico.
- Cicloinverter;
- Cicloinverter;
- Invertitori del circuito intermedio:
- Convertitore di frequenza a fonte di corrente;
- Convertitore di frequenza di una fonte di tensione (con modulazione di ampiezza o di larghezza d'impulso).
In termini di applicazione l'attrezzatura può essere:
- Per apparecchiature fino a 315 kW;
- convertitori vettoriali per potenze fino a 500 kW;
- dispositivi antideflagranti per l'uso in ambienti esplosivi e polverosi;
- convertitori di frequenza montati su motori elettrici;
Ogni tipo di convertitore di frequenza ha certi vantaggi e svantaggi ed è adatto ad attrezzature e carichi diversi, nonché alle condizioni di funzionamento.
Il convertitore di frequenza può essere controllato manualmente o esternamente. Il controllo manuale viene eseguito dal pannello di controllo del convertitore di frequenza, che può essere utilizzato per regolare la velocità o fermare il funzionamento. Il controllo esterno viene effettuato per mezzo di sistemi di controllo automatico (ACS), che possono monitorare tutti i parametri dell'unità e consentire la commutazione del circuito o del modo di funzionamento (tramite convertitore di frequenza o bypass). Il controllo esterno permette anche di programmare l'inverter per le condizioni di funzionamento, il carico e il tempo, permettendo all'inverter di funzionare in modalità automatica.
Per cosa il motore elettrico può aver bisogno di un convertitore di frequenza
L'uso di convertitori di frequenza riduce i costi energetici, i costi di ammortamento dei motori e delle attrezzature. È possibile utilizzarli per motori a gabbia di scoiattolo a basso costo, il che riduce i costi di produzione.
Molti motori elettrici sono soggetti a condizioni di funzionamento che cambiano frequentemente (frequenti avviamenti e arresti, carichi variabili). I convertitori di frequenza permettono un avvio dolce del motore e riducono la coppia massima di avviamento e il riscaldamento dell'attrezzatura. Questo è importante per esempio nelle macchine di sollevamento e riduce gli effetti negativi delle partenze improvvise e degli arresti a scatti.
Con l'aiuto dei convertitori di frequenza è possibile controllare senza problemi il funzionamento di soffianti, pompe e consente l'automazione dei processi tecnologici (utilizzati in caldaie, miniere, produzione di petrolio e raffinerie, acquedotti e altri impianti).
L'uso di convertitori di frequenza in trasportatori, convogliatori, ascensori può aumentare la durata dei loro componenti perché riduce i sobbalzi, gli urti e altri fattori negativi quando si avvia e si ferma l'attrezzatura. Possono aumentare e diminuire dolcemente la velocità del motore, eseguire l'inversione, che è importante per un gran numero di attrezzature industriali di alta precisione.
Vantaggi degli inverter di frequenza:
- Riduzione dei costi energetici: grazie alla riduzione delle correnti di spunto e alla regolazione della potenza del motore in funzione del carico;
- Aumenta l'affidabilità e la durata dell'attrezzatura: permette di prolungare la vita utile e gli intervalli di manutenzione;
- Permette l'introduzione del controllo esterno e la gestione di apparecchiature da dispositivi informatici remoti e la possibilità di essere integrato in sistemi di automazione;
- I convertitori di frequenza possono gestire qualsiasi capacità di carico (da un kilowatt a decine di megawatt);
- La presenza di componenti speciali nei convertitori di frequenza può proteggere da sovraccarichi, perdite di fase e cortocircuiti, oltre a garantire un funzionamento sicuro e l'arresto delle apparecchiature in caso di emergenza.
Naturalmente, quando si guarda questa lista di benefici, ci si può chiedere perché non usarli per tutti i motori di un impianto? La risposta è ovvia, ahimè, ma è l'alto costo dei convertitori di frequenza, la loro installazione e la messa in servizio. Non tutte le aziende possono permettersi questi costi.
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