Partenze motore
Transcript
Partenze motore
2_11500-CHAPITRE-5_5.qxd:11500-CHAPITRE-5_5.qxd 13-11-2009 16:55 Pagina 96 5 - Partenze-motore 5 96 capitolo Partenze-motore Presentazione: - Funzioni necessarie alla realizzazione di una partenza-motore - Tabella di scelta delle funzioni delle partenze-motore e dei relativi prodotti 2_11500-CHAPITRE-5_5.qxd:11500-CHAPITRE-5_5.qxd Sommario 13-11-2009 16:55 Pagina 97 5. Partenze-motore b 5.1 Generalità . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 98 1 b 5.2 Le funzioni base delle partenze-motore . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 98 b 5.3 Una funzione complementare: la comunicazione. . . . . . . . . . pagina 101 b 5.4 Partenze-motore e coordinamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 102 b 5.5 I variatori di velocità. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 105 2 b 5.6 Composizione, componenti degli avviatori e variatori elettronici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 110 b 5.7 Variatore-regolatore per motore a corrente continua . . . . . . pagina 114 3 b 5.8 Convertitore di frequenza per motore asincrono . . . . . . . . . . pagina 116 b 5.9 Variatore di tensione per motore asincrono . . . . . . . . . . . . . . pagina 123 b 5.10 Moto-variatori sincroni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 125 4 b 5.11 Moto-variatori passo-passo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 126 b 5.12 Le funzioni complementari dei variatori di velocità . . . . . . . . pagina 127 b 5.13 I variatori di velocità e il bilancio energetico. . . . . . . . . . . . . . pagina 129 b 5.14 I variatori di velocità e il risparmio energetico 5 e di manutenzione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 131 b 5.15 Tabella di scelta delle partenze-motore. . . . . . . . . . . . . . . . . . pagina 132 6 7 8 9 10 11 12 M Schneider Electric 97 2_11500-CHAPITRE-5_5.qxd:11500-CHAPITRE-5_5.qxd Partenze-motore 5.1 13-11-2009 5.1 5.2 16:55 Pagina 98 Generalità Le funzioni base delle partenze-motore Generalità Una partenza-motore garantisce quattro funzioni base: - il sezionamento, - la protezione contro i cortocircuiti, - la protezione contro i sovraccarichi, - la commutazione o comando (marcia - arresto). Ogni partenza-motore può essere arricchita con funzioni supplementari in base alle esigenze applicative. Le funzioni supplementari possono riguardare: - la potenza: variazione di velocità, avviamento progressivo, inversione di fase, ecc... - il controllo: contatti ausiliari, temporizzazione, comunicazione, ecc... A seconda della composizione di una partenza-motore le funzioni possono essere ripartite in diversi modi, come illustrato nella Fig. 1. La variazione di velocità o gli avviatori progressivi, sistemi sofisticati di partenze-motore, sono oggetto di una sezione specifica di questo capitolo 5.5. I motovariatori particolari come i variatori per motori sincroni e motori passo-passo trovano anch’essi spazio in questa sezione grazie alle caratteristiche di funzionamento molto simili. Nella sezione 5.13 e 5.14, verranno trattati e sottolineati argomenti quali il bilancio energetico e i possibili risparmi, informazioni troppo spesso mal interpretate. A Fig. 1 5.2 Le diverse funzioni e la loro associazione per comporre una partenza-motore Le funzioni base delle partenze-motore b Il sezionamento La funzione di sezionamento è obbligatoria e si deve trovare all’origine di ogni circuito (cf. norme d’installazione NF C15-100, CEI 60364-5-53); non è imposta, ma consigliata a livello di ogni partenza-motore. Il sezionamento consiste nell’isoalre i circuiti dalla loro fonte di energia (rete di alimentazione potenza) in modo sicuro, per garantire la protezione dei beni e delle persone in caso di operazioni di manutenzione, di riparazioni o modifiche sui circuiti elettrici a valle. Il sezionamento deve essere progettato in conformità con le specifiche che esigono: - l’interruzione omnipolare e simultanea, - il rispetto delle distanze d’isolamento in funzione delle tensioni d’alimentazione, - l’interblocco, - l’interruzione visibile o sezionamento visualizzato: - con «interruzione visibile» si intende che l’apertura dei poli è direttamente visibile da un operatore, - il sezionamento visualizzato viene identificato dalla posizione dell’organo di manovra o da un indicatore meccanico di posizione che, in base alla norma, può indicare la posizione « fuori tensione » solo se i contatti sono effettivamente separati da una distanza sufficiente conforme a quanto previsto dalle norme. I costruttori offrono numerosi apparecchi con questa funzione. Spesso lo stesso apparecchio associa le funzioni di sezionamento e di protezione contro i cortocircuiti (ad esempio il sezionatore a fusibili). Per questo motivo alcuni apparecchi base devono essere completati da un dispositivo complementare, quale ad esempio un supporto di aggancio. 98 Schneider Electric 2_11500-CHAPITRE-5_5.qxd:11500-CHAPITRE-5_5.qxd 19-11-2009 14:39 Pagina 99 Un sezionatore è destinato ad isolare un circuito e non ha potere d’interruzione né potere di chiusura. Viene sempre comandato a vuoto. Un interruttore offre, oltre alla capacità di sezionamento, quella di poter stabilire, sopportare ed interrompere delle correnti (norme IEC 947-3). b La protezione v La protezione contro i cortocircuiti (C capitolo 4 Avviamento e protezione dei motori) Questa funzione richiede il rilevamento delle sovracorrenti consecutive ai cortocircuiti (generalmente superiori a 10 volte la corrente nominale) e l’apertura del circuito in difetto. Viene realizzata da fusibili o da interruttori automatici magnetici. v La protezione contro i sovraccarichi (C capitolo 4 Avviamento e protezione dei motori) Questa funzione richiede il rilevamento delle sovracorrenti consecutive ai sovraccarichi (Ir < I sovraccarichi < Im) e l’apertura del circuito in difetto. Viene realizzata da dispositivi elettromeccanici o elettronici (relè di sovraccarico) associati ad un organo d’interruzione (interruttore automatico o contattore) o integrati agli avviatori o variatori di velocità elettronici. Protegge anche la linea del motore contro i sovraccarichi termici. v Protezioni associate agli avviatori e ai variatori di velocità elettronici L’avviamento diretto sulla rete di distribuzione dei motori asincroni è la soluzione più utilizzata, più economica e spesso più conveniente per una gran varietà di macchine. Tuttavia questa soluzione si rivela talvolta non adatta ad alcune applicazioni, o addirittura non compatibile con il funzionamento desiderato a livello della macchina (spunto di corrente all’avviamento, impulsi meccanici durante gli avviamenti, impossibilità di controllare l’accelerazione e la decelerazione, impossibilità di far variare la velocità, ecc...). Gli avviatori e i variatori di velocità elettronici (C Fig. 2) permettono di eliminare questi inconvenienti, ma le protezioni convenzionali descritte precedentemente non sono efficaci con questi apparecchi che modulano l’energia elettrica fornita al motore. A Fig. 2 Variatore di velocità (ATV61 - ATV71 - Schneider Electric) I variatori di velocità e gli avviatori elettronici hanno quindi delle protezioni integrate. I variatori moderni garantiscono generalmente la protezione di sovraccarico dei motori e la protezione dei motori stessi. A partire dalla misura della corrente e da un’informazione sulla velocità, un microprocessore calcola l’aumento di temperatura del motore e fornisce un segnale d’allarme o di sgancio in caso di riscaldamento eccessivo. Inoltre le informazioni elaborate dalla protezione termica integrata nel variatore possono essere scambiate con un controllore programmabile o un supervisore mediante il collegamento di comunicazione di cui sono dotati i variatori e gli avviatori più evoluti. La variazione di velocità è oggetto del paragrafo 5.5 di questo capitolo. b La commutazione o comando v La funzione di comando Con « comandare », è necessario comprendere il concetto di chiudere (stabilire) e aprire (interrompere) un circuito elettrico in carico. La funzione di comando viene realizzata dagli interruttori, dagli interruttori automatici magneto-termici, dagli avviatori e dai variatori di velocità. Il contattore è tuttavia il prodotto più utilizzato per realizzare questa funzione poiché permette il comando a distanza (telecomando). Per i motori, questo dispositivo di comando deve consentire un elevato numero di manovre (durata elettrica) ed essere conforme alle norme CEI 60947-4-1. Schneider Electric 99 5 2_11500-CHAPITRE-5_5.qxd:11500-CHAPITRE-5_5.qxd 13-11-2009 Partenze-motore 5.2 16:55 Pagina 100 Le funzioni base delle partenze-motore In base a queste norme i costruttori devono precisare le seguenti caratteristiche relative al prodotto: • Circuito di comando - tipo di corrente di comando, oltre alla frequenza in caso di corrente alternata, - tensione nominale dei circuiti di comando (Uc) o tensione d’alimentazione di comando (Us). • Circuito di potenza - tensione nominale d’impiego (Ue): si esprime generalmente mediante la tensione tra fasi. Determina l’impiego dei circuiti ai quali fanno riferimento i poteri di chiusura e d’interruzione, il tipo di servizio e le caratteristiche di avviamento, - corrente nominale d’impiego (Ie) o potenza nominale d’impiego: questa caratteristica viene definita dal costruttore a seconda delle condizioni d’impiego specificate e prende in considerazione in particolare la tensione nominale d’impiego e la corrente termica convenzionale (Ith corrispondente al valore massimo della corrente di prova). In caso di materiale per il comando diretto di un unico motore, l’indicazione di una corrente nominale d’impiego può essere sostituita o completata con quella della potenza nominale massima disponibile. In alcuni casi queste informazioni possono essere completate: - dal servizio nominale, con indicazione della classe di servizio intermittente, se prevista. Le classi definiscono diversi cicli di manovre, - dai poteri nominali di chiusura e/o di interruzione. Sono i valori massimi di corrente, fissati dal costruttore, che un materiale può stabilire (chiusura) o interrompere (interruzione) in modo soddisfacente e in condizioni specifiche. I poteri nominali di chiusura e di interruzione non sono obbligatoriamente specificati dal costruttore, ma la norma esige dei valori minimi per ciascuna categoria d’impiego. v Le categorie d’impiego degli apparecchi di comando Le norme CEI 60947 definiscono delle categorie d’impiego in base alle applicazioni a cui gli apparecchi di comando sono destinati (C Fig. 3). Ciascuna categoria è caratterizzata da una o più condizioni di servizio quali: - correnti, - tensioni, - fattore di potenza o costante di tempo, - e, se necessario, altre condizioni di servizio. Tipo di corrente Categorie d’impiego Applicazioni caratteristiche Corrente alternata AC-1 Carichi non induttivi o poco induttivi, forni a resistenze. Distribuzione di energia (illuminazione, gruppo elettrogeno, ecc…). AC-2 Motori ad anelli: avviamento, interruzione. Apparecchiatura a servizio intensivo (sollevamento, movimentazione, frantumatrici, treni di laminazione, ecc…). AC-3 Motori a gabbia: avviamento, interruzione dei motori lanciati*. Comando motore (pompe, compressori, ventilatori, macchine utensili, trasportatori, presse, ecc…). AC-4 Motori a gabbia: avviamento, inversione di marcia, marcia ad impulsi. Apparecchiatura a servizio intensivo (sollevamento, movimentazione, frantumatori, treni di laminatoi, ecc…). DC-1 Carichi non induttivi o poco induttivi, forni a resistenze. DC-3 Motori shunt: avviamento, inversione di marcia, marcia ad impulsi. Interruzione dinamica di motori per corrente continua. DC-5 Motori seriali: avviamento, inversione di marcia, marcia ad impulsi. Interruzione dinamica di motori per corrente continua. Corrente continua * La categoria AC-3 può essere utilizzata per marcia ad impulsi o inversione di marcia di manovre occasionali di durata limitata, quali il montaggio di una macchina; il numero di manovre per i tempi limitati definiti non supera normalmente le cinque manovre al minuto, né le dieci manovre per 10 min. A Fig. 3 100 Le diverse categorie d’impiego dei contattori in base alla norma CEI 60947-1 Schneider Electric 2_11500-CHAPITRE-5_5.qxd:11500-CHAPITRE-5_5.qxd 19-11-2009 5.2 5.3 15:01 Pagina 101 Le funzioni base delle partenze-motore Una funzione complementare: la comunicazione Ad esempio vengono prese in considerazione: - le condizioni di definizione e interruzione di corrente, - il tipo di apparecchio controllato (motore a gabbia, motore ad anelli, resistenza), - le condizioni in cui vengono effettuate le chiusure e le aperture (motore lanciato, motore bloccato, in corso di avviamento, frenatura in controcorrente, ecc...). v Scegliere un contattore Le categorie d’impiego definite dalla norma consentono una prima selezione di un prodotto in grado di rispondere alle esigenze applicative a cui è destinato il motore. Tuttavia è necessario tenere conto anche di altre caratteristiche che esulano da quanto stabilito dalla norma. Tra questi, ad esempio, i fattori esterni all’applicazione: condizioni climatiche (temperatura, umidità), situazione geografica (altitudine, vicinanza del mare), ecc... In alcune situazioni, l’affidabilità dell’apparecchiatura può essere un fattore critico, in particolar modo quando la manutenzione è difficile. La durata elettrica (durata dei contatti) degli apparecchi (contattore) è quindi una caratteristica importante. 5 Sarà quindi necessario disporre di cataloghi completi e precisi per verificare che il prodotto offra tutte le caratteristiche richieste. 5.3 Una funzione complementare: la comunicazione b La comunicazione: una funzione diventata essenziale Nei processi e nei sistemi di produzione industriali, la funzione di comunicazione consente di controllare, interrogare e comandare a distanza le apparecchiature e le macchine di un impianto di produzione. Per assicurare la comunicazione tra tutti gli elementi di un impianto di produzione è necessario che molti apparecchi, compresi i dispositivi di protezione quali i relè multifunzione o le partenze-motore, integrino componenti o moduli comunicanti (C Fig. 4). b L’apporto della comunicazione A Fig. 4 L’avviatore controllore con relativo modulo di comunicazione Modbus (Tesys U - Schneider Electric) Le interfacce di comunicazione AS-I, Modbus, Profibus, ecc..., consentono di comandare un motore (telecomando marcia-arresto dell’avviatore-motore), di conoscere a distanza il carico motore (misura della corrente) e/o i guasti esistenti (sovracorrenti, sovraccarichi, ecc...) o passati (report cronologico). La funzione di comunicazione, oltre ad essere utile per l’integrazione delle protezioni nei processi di automazione industriali, offre i seguenti servizi: - preallarmi per la segnalazione anticipata della comparsa di un guasto, - report cronologico dei guasti per la facilitare la ricerca e l’identificazione di un evento ricorrente, - aiuto alla messa in servizio, - aiuto alla manutenzione tramite l’identificazione di una deriva delle condizioni di funzionamento. La funzione di comunicazione migliora sensibilmente la gestione delle apparecchiature con conseguenze positive anche sui risultati economici. Schneider Electric 101 2_11500-CHAPITRE-5_5.qxd:11500-CHAPITRE-5_5.qxd Partenze-motore 5.4 13-11-2009 5.4 16:55 Pagina 102 Partenze-motore e coordinamento Partenze-motore e coordinamento b Le soluzioni partenze-motore Come già detto all’inizio del capitolo le principali funzioni che una partenzamotore deve assicurare (sezionamento, comando e protezione contro i cortocircuiti e i sovraccarichi), possono essere realizzate da diversi apparecchi. Perchè una partenza-motore realizzi correttamente tutte queste funzioni, sono possibili tre modalità di associazione degli apparecchi (CFig. 5) che non richiedono comunque la compatibilità tra le caratteristiche dei diversi apparecchi associati. • La soluzione « tutto in uno » Un solo apparecchio riunisce tutte e tre le funzioni. Le sue prestazioni globali sono garantite dal costruttore. Per l’utente, dalla fase di progettazione all’installazione, questa è la soluzione più semplice: facile da installare (cablaggio ridotto) e scelta immediata (non richiede studi particolari). • La soluzione « 2 apparecchi » Interruttore automatico magneto-termico + contattore La compatibilità tra le caratteristiche di entrambi gli apparecchi deve essere verificata dall’utente. A Fig. 5 Le tre possibilità di associazione di apparecchi per realizzare una partenza-motore • La soluzione « 3 apparecchi » Interruttore automatico magnetico + contattore + relè di sovraccarico. Consente di coprire un’ampia gamma di potenza. Questa associazione richiede uno studio di compatibilità per la scelta degli apparecchi e d’installazione per il loro montaggio su telaio o in cassetta. Questo procedimento (compatibilità, scelta e installazione) non è sempre alla portata degli utilizzatori finali poiché richiede la raccolta delle caratteristiche dei diversi apparecchi e il loro successivo confronto. Questo spiega perché i costruttori studiano e poi offrono nei loro cataloghi, associazioni di prodotti. Nella stessa direzione si sforzano di trovare combinazioni ottimali tra le protezioni: è la nozione di coordinamento. b Il coordinamento tra le protezioni e il comando Il coordinamento è la combinazione ottimale delle diverse protezioni (contro i cortocircuiti e i sovraccarichi) e dell’organo di comando (contattore) che compongono una partenza-motore. Studiato per una data potenza, consente di proteggere al meglio le apparecchiature comandate dalla partenza-motore (C Fig. 6). v I principi del coordinamento Per il corretto funzionamento di una partenza-motore il coordinamento tra tutti gli apparecchi deve rispondere contemporaneamente alle seguenti istanze: - il relè di sovraccarico deve proteggere l’interruttore automatico magnetico nella zona di sovraccarico: la sua curva "1" deve passare al di sotto di quella della tenuta termica dell’interruttore automatico, - inversamente, nelle zone di cortocircuito, per proteggere il relè termico, la curva di sgancio su cortocircuito deve passare al di sotto di quella della tenuta termica del relè, - infine, per assicurare la protezione del contattore, il suo limite di tenuta termica deve essere al di sopra delle curve dei due sganciatori termici "1" e magnetico "3" (o fusibile "2"). A Fig. 6 102 Occrre notare che la norma stabilisce dei limiti per le correnti di prova: - fino a 0.75 Ic deve intervenire solo la protezione termica, - a partire da 1.25 Ic deve intervenire solo la protezione contro i cortocircuiti. I principi del coordinamento Il coordinamento presenta un doppio vantaggio: la riduzione dei costi dell’apparecchiatura e della manutenzione poiché le diverse protezioni si completano in modo ottimale, senza ridondanza. Schneider Electric 2_11500-CHAPITRE-5_5.qxd:11500-CHAPITRE-5_5.qxd 19-11-2009 14:40 Pagina 103 v Coordinamenti tipo 1 e tipo 2 La norma CEI 60947-4-1 definisce due tipi di coordinamento (tipo 1 e tipo 2) • Coordinamento tipo 1: è la soluzione standard, la più utilizzata. In condizioni di cortocircuito, il materiale non deve risultare pericoloso per le persone e gli impianti. In seguito alla scomparsa del cortocircuito, può non essere in grado di funzionare senza riparazione o sostituzione di pezzi. • Coordinamento tipo 2: è la soluzione per prestazioni elevate. In condizioni di corto-circuito, il materiale non deve risultare pericoloso per le persone e gli impianti. In seguito alla scomparsa del cortocircuito non deve presentare nessun deterioramento e nessuna deregolazione. È ammesso solo il rischio di saldatura, ma in questo caso il costruttore deve indicare le misure da adottare per la sepoarazione dei contatti. • In base alla Norma IEC 947-6-2 esiste un’ulteriore soluzione per prestazioni elevatissime definita « Coordinamento totale ». In caso di cortocircuito sugli apparecchi che compongono la partenza non è ammesso alcun guasto, né rischio di saldatura. Il materiale non deve risultare pericoloso per le persone e gli impianti e in seguito deve essere in grado di funzionare. Il riavviamento della partenza-motore deve poter essere immediato. v Gli ACP: Apparecchi integrati di manovra e protezione Gli ACP o apparecchi integrati di manovra e protezione sono adatti a realizzare contemporaneamente le funzioni di comando e di protezione (sovraccarico e cortocircuito); sono inoltre in grado di realizzare comandi in condizioni di cortocircuito. Possono anche garantire funzioni complementari quali il sezionamento assicurando quindi in toto la funzione di « partenza-motore ». Rispondono alla norma CEI 60947-6-2, che definisce in modo specifico le caratteristiche e le categorie d’impiego degli ACP, secondo le norme CEI 60947-1 e 60947-4-1. Le diverse funzioni realizzate da un ACP sono associate e coordinate in modo da consentire la continuità di servizio con qualsiasi corrente fino al potere nominale di interruzione di servizio in cortocircuito (Ics) dell’ACP. L’ACP può comprendere uno o più apparecchi, ma le sue caratteristiche sono sempre nominali come se si trattasse di un unico apparecchio. La garanzia di un coordinamento « totale » tra tutte le funzioni consente inoltre all’utente di scegliere in modo semplice la migliore soluzione di protezione da installare. Benché si presenti come un unico apparecchio, l’ACP è in grado di offrire la stessa modularità o anche superiore di una soluzione partenza-motore « tre prodotti ». È il caso ad esempio del Tesys U di Schneider Electric (C Fig. 7) che consente di inserire o sostituire in qualsiasi momento un’unità di controllo con funzioni di protezione e di comando integrate per motori da 0.15 A fino a 32 A, in una base potenza o base generica da 32 A. È possibile integrare funzioni supplementari a livello: • della potenza: blocco invertitore, limitatore • del comando/controllo - moduli funzione: allarmi, carico motore, riarmo automatico, ecc... - moduli di comunicazione: AS-I, Modbus, Profibus, CAN-Open, ecc... - contatti ausiliari, contatti aggiuntivi. A Fig. 7 Esempio di modularità di un ACP (avviatore controllore Tesys U - Schneider Electric) Schneider Electric 103 5 2_11500-CHAPITRE-5_5.qxd:11500-CHAPITRE-5_5.qxd Partenze-motore 13-11-2009 5.4 16:55 Pagina 104 Partenze-motore e coordinamento Questo sistema offre inoltre funzioni di comunicazione evolute (C Fig. 8). Funzioni di comunicazione disponibili: Standard Unità di controllo: Evolutive Multifunzione Stati dell’avviatore (pronto, in marcia, in difetto) Allarmi (sovracorrenti, ecc...) Allarme termico Riarmo a distanza mediante bus Indicazione del carico motore Differenziazione dei guasti Configurazione e consultazione delle funzioni di protezione Funzione « report cronologico » Funzione « controllo » Comandi di Marcia e di Arresto Informazioni trasmesse dal bus (Modbus) e funzioni realizzate A Fig. 8 Le funzioni di comunicazione del Tesys U v Quale coordinamento scegliere? La scelta del tipo di coordinamento dipende dai parametri di utilizzo. La scelta deve essere effetuata in funzione delle esigenze dell’utente e di un’ottimizzazione dei costi dell’impianto: • Tipo 1 Scelta accettabile quando non è necessaria la continuità di servizio e quando è possibile riavviare in seguito alla sostituzione degli elementi guasti. In questo caso è necessario che il servizio di manutenzione sia efficace (disponibile e competente). Il vantaggio è nel costo ridotto dell’apparecchiatura. • Tipo 2 Scelta da effettuare quando è richiesta la continuità di servizio. In questo caso il servizio di manutenzione può essere ridotto. • « Coordinamento totale » Scelta da effettuare quando è necessario il riavviamento immediato del motore. Non richiede alcun servizio di manutenzione. Le soluzioni di coordinamento proposte nei cataloghi dei costruttori semplificano la scelta dell’utente e assicurano la conformità del prodotto alle norme. b La selettività In un impianto elettrico i ricevitori sono collegati ai generatori attraverso una serie di dispositivi di sezionamento, protezione e comando. Se lo studio di selettività non è realizzato correttamente, un guasto elettrico può provocare l’intervento di più dispositivi di protezione. Un solo guasto può provocare ad esempio la messa fuori tensione di una parte più o meno grande dell’impianto con gravi conseguenze quali la mancata distribuzione di enegia elettrica alle partenze sane. Per evitare questi tipi di problemi (C Fig. 9) lo scopo della selettività è di scollegare dalla rete la partenza o il motore in difetto, e solo quello, mantenendo sotto tensione la maggior parte possibile di apparecchiature dell’impianto. La selettività consente quindi di garantire sicurezza e continuità di servizio, facilitando inoltre la localizzazione del guasto. A Fig. 9 104 Principio della selettività: in caso di guasto, si apre solo D2 Per garantire una continuità di servizio ottimale è necessario utilizzare dispositivi di protezione coordinati tra loro. A questo scopo vengono utilizzate diverse tecniche che consentono di ottenere una selettività che Schneider Electric 2_11500-CHAPITRE-5_5.qxd:11500-CHAPITRE-5_5.qxd 19-11-2009 5.4 5.5 14:53 Pagina 105 Partenze-motore e coordinamento I variatori di velocità potrà essere totale, se garantita per tutti i valori della corrente di guasto, fino al valore massimo disponibile nell’installazione, oppure parziale nel caso contrario. v Le diverse tecniche di selettività Esistono diversi tipi di selettività: • amperometrica: risulta dalla differenza tra le soglie degli interruttori posti in serie sull’impianto. • cronometrica: consiste nel temporizzare differentemente (di alcune decina o centinaia di millisecondi) l’intervento dell’interruttore automatico a monte, o nell’utilizzare le caratteristiche normali di funzionamento legate ai calibri degli apparecchi. Quindi è possibile garantire la selettività tra due relè di sovraccarico rispettando la condizione Ir1 > 1,6. Ir2 (con r1 a monte di r2). • Sellim o energetica: consiste nell’installare a monte di un interruttore rapido, un interruttore ultralimitatore equipaggiato con uno sganciatore specifico la cui particolarità è quella di aprire per il tempo necessario al funzionamento dell’interruttore automatico a valle e poi si richiude. • logica: consiste in un trasferimento dell’informazione di superamento di soglia tra gli sganciatori degli interruttori dei diversi livelli della distribuzione radiale, lasciando la possibilità di apertura all’interruttore automatico più a valle. Per maggiori dettagli consultare il Dossier Tecnico Schneider-Electric n°167. v La selettività nei processi Per le apparecchiature di comando processi (linee di produzione, unità produttive chimiche, ecc...), le tecniche di selettività più utilizzate tra le partenze-motore e la distribuzione elettrica che alimenta i processi sono generalmente la selettività amperometrica e la la selettività cronometrica. Nella maggior parte dei casi la selettività è garantita dal potere limitatore o ultralimitatore delle partenze-motore. 5.5 I variatori di velocità Questa parte descrive in dettaglio tutti gli aspetti della variazione di velocità. Alcune tecnologie molto specifiche quali ad esempio ciclo-convertitori, cascata subsincrona, convertitore per motore sincrono o asincrono non sono trattate. L’impiego di questi variatori è molto specifico ed è proprio di settori e mercati particolari. Ad essi sono dedicate opere specializzate. Il lettore interessato troverà una descrizione esauriente nelle opere, Funzionamento Elettrico a velocità variabile, Bonal (Jean) e Séguier (Guy), Ed. Tec e Utilizzo industriale dei motori a corrente alternata, Bonal (Jean), Ed. Tec e Doc. La variazione di velocità per motori a corrente continua, sostituita in gran parte dalla variazione di velocità con converitori di frequenza viene comunque trattata, poiché riteniamo importante comprendere il principio di funzionamento per affrontare facilmente alcune specificità e caratteristiche della variazione di velocità nel suo insieme. b Storia e note v Storia Per avviare i motori elettrici e controllarne la velocità gli avviatori reostatici, i variatori meccanici e i gruppi Ward Leonard in particolare sono state le prime soluzioni utilizzate. Gli avviatori e i variatori elettronici si sono quindi imposti nel settore industriale come soluzione moderna, economica, affidabile che non richiede manutenzione. Schneider Electric 105 5 2_11500-CHAPITRE-5_5.qxd:11500-CHAPITRE-5_5.qxd Partenze-motore 13-11-2009 5.5 16:55 Pagina 106 I variatori di velocità Un variatore o un avviatore elettronico è un convertitore di energia con il ruolo di modulare l'energia elettrica fornita al motore. Gli avviatori elettronici sono destinati esclusivamente ai motori asincroni. Fanno parte della famiglia dei variatori di tensione. I variatori di velocità garantiscono una messa in velocità e una decelerazione progressive, consentono un adattamento preciso della velocità alle condizioni di utilizzo. I variatori di velocità sono del tipo raddrizzatore controllato per alimentare i motori a corrente continua; i variatori per motori a corrente alternata sono convertitori di frequenza. Storicamente, il variatore elettronico per motore a corrente continua è stato la prima soluzione offerta. I progressi dell’elettronica di potenza e della microelettronica hanno permesso la realizzazione di convertitori di frequenza affidabili ed economici. I convertitori di frequenza moderni consentono di alimentare i motori asincroni standard con prestazioni analoghe ai migliori variatori di velocità a corrente continua. Alcuni costruttori propongono anche motori asincroni con variatori di velocità elettronici integrati in un’apposita cassetta terminale; questa soluzione viene proposta per degli insiemi di potenza ridotta (qualche kW). Nelle ultime pagine di questo capitolo vengono citate le recenti evoluzioni dei variatori di velocità e la future tendenze presso i costruttori. Queste eleganti evoluzioni ampliano notevolmente l’offerta e le possibilità dei variatori. v Note: le principali funzioni degli avviatori e dei variatori di velocità elettronici • Accelerazione controllata La messa in velocità del motore è controllata mediante una rampa di accelerazione lineare o a « S ». Questa rampa generalmente è regolabile e consente, di conseguenza, di scegliere il tempo di messa in velocità adatto all’applicazione. • Variazione di velocità Un variatore di velocità può non essere allo stesso tempo anche un regolatore. In questo caso, è un sistema rudimentale che possiede un comando elaborato a partire dalle grandezze elettriche del motore con amplificazione di potenza, ma non anello di reazione. Viene detto « ad anello aperto ». La velocità del motore è definita da una grandezza d'ingresso (tensione o corrente) chiamata impostazione o riferimento. Per un valore dato dell'impostazione, questa velocità può variare in funzione dei disturbi (variazioni della tensione di alimentazione, del carico, della temperatura). La gamma di velocità si esprime in funzione della velocità nominale. • Regolazione di velocità Un regolatore di velocità è un variatore asservito (C Fig. 10). Possiede un sistema di comando con amplificazione di potenza e un anello di reazione. Viene detto « ad anello chiuso ». La velocità del motore è definita da un’impostazione. A Fig. 10 Principio della regolazione di velocità Il valore di impostazione viene confrontato costantemente con un segnale di ritorno, immagine della velocità del motore. Questo segnale è generalmente fornito da una dinamo tachimetrica o da un generatore di impulsi montato all'estremità dell'albero motore o ancora da un dispositivo stimatore che determina la velocità del motore a partire da grandezze elettriche disponibili nel variatore. I convertitori di frequenza che alimentano i motori asincroni ne sono spesso dotati. Se viene rilevato uno scarto in seguito ad una variazione della velocità, le grandezze applicate al motore (tensione e/o frequenza) vengono automaticamente corrette in modo da riportare la velocità al suo valore iniziale. Grazie alla regolazione, la velocità è praticamente insensibile ai disturbi. 106 Schneider Electric 2_11500-CHAPITRE-5_5.qxd:11500-CHAPITRE-5_5.qxd 13-11-2009 16:55 Pagina 107 La precisione di un regolatore è generalmente espressa in % del valore nominale della grandezza da regolare. • Decelerazione controllata Quando un motore viene messo fuori tensione, la sua decelerazione è dovuta unicamente alla coppia resistente della macchina (decelerazione naturale). Gli avviatori e variatori elettronici consentono di controllare la decelerazione mediante una rampa lineare o a « S », solitamente indipendente dalla rampa di accelerazione. La rampa può essere regolata in modo da ottenere un tempo di passaggio della velocità in regime stabilito ad una velocità intermedia o nulla: - se la decelerazione desiderata è più rapida della decelerazione naturale, il motore deve sviluppare una coppia resistente che si aggiunge alla coppia resistente della macchina; si parla quindi di frenatura elettrica che può essere effettuata mediante rinvio di energia alla rete di alimentazione o mediante dissipazione in una resistenza di frenatura, - se la decelerazione desiderata è più lenta rispetto alla decelerazione naturale, il motore deve sviluppare una coppia motore superiore alla coppia resistente della macchina e continuare ad azionare il carico fino all’arresto. • Inversione del senso di marcia L’inversione della tensione d’alimentazione (variatori per motore a corrente continua) o l’inversione dell’ordine delle fasi d’alimentazione del motore viene realizzata automaticanmente, mediante inversione dell’impostazione all’ingresso, mediante un ordine logico su un morsetto o mediante un’informazione trasmessa da una rete seriale. La maggior parte dei variatori attuali per motori alternati consente questa funzione di base. • Frenatura di arresto Questo tipo di frenatura consiste nell’arrestare un motore senza controllare la rampa di rallentamento. Per gli avviatori e variatori di velocità per motori asincroni, questa funzione viene realizzata in modo economico mediante iniezione di corrente continua nel motore con un funzionamento particolare dello stadio di potenza. Tutta l’energia meccanica viene dissipata nel rotore della macchina e, di conseguenza, la frenatura non può che essere intermittente. Su un variatore per motore a corrente continua, questa funzione verrà garantita collegando una resistenza ai morsetti dell’indotto. • Protezioni integrate I variatori moderni garantiscono generalmente la protezione termica dei motori e la loro propria protezione. A partire dalla misura della corrente e da un’informazione sulla velocità (se la ventilazione del motore dipende dalla sua velocità di rotazione), un microprocessore calcola l'aumento di temperatura del motore e fornisce un segnale di allarme o di blocco in caso di riscaldamento eccessivo. I variatori, e in particolare i convertitori di frequenza, sono d'altra parte spesso dotati di protezioni contro: - i cortocircuiti tra fasi e tra fase e terra, - le sovratensioni e le cadute di tensione, - gli squilibri di fase, - la marcia in monofase. b I principali modi di funzionamento e i principali tipi di variatori elettronici Nei seguenti paragrafi verranno descritti i principi fondamentali. v I principali modi di funzionamento I variatori di velocità possono, a seconda del convertitore elettronico, far funzionare un motore in un unico senso di rotazione, nel qual caso saranno chiamati « unidirezionali », oppure comandare entrambi i sensi di rotazione, e allora verranno chiamati « bidirezionali ». Schneider Electric 107 5 2_11500-CHAPITRE-5_5.qxd:11500-CHAPITRE-5_5.qxd Partenze-motore 13-11-2009 5.5 16:55 Pagina 108 I variatori di velocità I variatori possono essere « reversibili » quando possono recuperare l’energia del motore funzionante in generatore (modo frenatura). La reversibilità è ottenuta mediante un rinvio di energia sulla rete (ponte d’ingresso reversibile) oppure dissipando l’energia recuperata in una resistenza con un chopper di frenatura. La Fig. 11 illustra le quattro situazioni possibili nel diagramma coppiavelocità di una macchina riassunte nella tabella associata. È importante notare che quando la macchina funziona in generatore deve beneficiare di una forza di trascinamento. Questo stato è utilizzato in modo particolare per la frenatura. L’energia cinetica presente sull’albero della macchina viene trasferita alla rete di alimentazione oppure dissipata in delle resistenze o, per le piccole potenze, nelle perdite della macchina. • Variatore unidirezionale Questo tipo di variatore è nella maggior parte dei casi non reversibile ed è realizzato per: A Fig. 11 LLe quattro possibili situazioni di una macchina nel suo diagramma coppia velocità - un motore a corrente continua, con un convertitore diretto (CA => CC) comprendente un ponte misto a diodi e tiristore (C Fig.12a I), - un motore a corrente alternata, con un convertitore indiretto (con trasformazione intermedia in corrente continua) comprendente in ingresso un ponte di diodi seguito da un convertitore di frequenza che fa funzionare la macchina nel quadrante 1 (C Fig.12a II). In alcuni casi questo tipo di montaggio può essere utilizzato in bidirezionale (quadranti 1 e 3). Un convertitore indiretto comprendente un chopper di frenatura e una resistenza correttamente dimensionata è adatto per una frenatura momentanea (rallentamento o su un apparecchio di sollevamento quando il motore deve sviluppare una coppia di frenatura in discesa per trattenere il carico). I II In caso di funzionamento prolungato con un carico trascinante, un convertitore reversibile è indispensabile poiché il carico restituisce potenza continuativamente, ad esempio un motore utilizzato come freno su un banco di prova. • Variatore bidirezionale Questo tipo di variatore può essere un convertitore reversibile o non reversibile. Se è reversibile, la macchina funziona nei quattro quadranti (C Fig.11) e consente il funzionamento in frenatura permanente. A Fig. 12a LSchemi di principio: [I] convertitore diretto a ponte misto; [II] convertitore indiretto con (1) ponte di diodi in ingresso, (2) dispositivo di frenatura (resistenza e chopper), (3) convertitore di frequenza Se non è reversibile, la macchina funziona solo nei quadranti 1 e 3. La progettazione e il dimensionamento del variatore o dell’avviatore sono direttamente determinati dal tipo di carico azionante. In particolar modo per quanto riguarda le capacità di fornire una coppia sufficiente per la messa in velocità. Le differenti gamme di macchine e le relative curve caratteristiche sono descritte nel capitolo Motori e carichi. v I principali tipi di variatori In questa sezione sono citati soltanto i variatori più comuni e le realizzazioni tecnologiche usuali. In effetti, esistono numerosi schemi di variatori di velocità elettronici: - cascata sottosincrona, - ciclo-convertitori, - commutatori di corrente, chopper, ecc... Il lettore interessato troverà una descrizione esauriente nelle opere Funzionamento elettrico a velocità variabile Bonal (Jean) e Séguier (Guy), Ed. Tec e Doc e Utilizzo industriale dei motori a corrente alternata Bonal (Jean), Ed. Tec e Doc. 108 Schneider Electric 2_11500-CHAPITRE-5_5.qxd:11500-CHAPITRE-5_5.qxd 13-11-2009 16:55 Pagina 109 • Raddrizzatore controllato per motore a corrente continua Fornisce, a partire da una rete alternata monofase o trifase, una corrente continua con controllo del valore medio della tensione. I semi-conduttori di potenza sono assemblati a ponte di Graëtz, monofase o trifase (C Fig.12b). Il ponte può essere misto (diodi / tiristori) o completo (tutto tiristore). A Fig. 12b LSchema di un raddrizzatore controllato per motore a corrente continua Quest’ultima soluzione è la più frequente poiché permette un miglior fattore di forma della corrente fornita. Il motore a corrente continua è spesso a eccitazione separata, tranne nel caso delle piccole potenze in cui i motori a magneti permanenti sono abbastana frequenti. L’utilizzo di questo tipo di variatore di velocità si adatta ad ogni applicazione. Gli unici limiti, in particolare la difficolta di ottenere velocità elevate e la necessità di manutenzione (sostituzione delle spazzole), sono imposti dal motore a corrente continua. I motori a corrente continua e i relativi variatori associati sono stati le prime soluzioni in campo industriale. Da oltre un decennio, il loro utilizzo è in costante diminuzione a vantaggio dei convertitori di frequenza. Infatti, il motore asincrono è più robusto e più economico di un motore a corrente continua. Contrariamente ai motori a corrente continua, standardizzati in involucro IP55, i motori asincroni sono anche praticamente insensibili alle condizioni ambientali (gocciolamento, polveri, ambienti pericolosi, ecc...). • Convertitore di frequenza per motore asincrono Fornisce, a partire da una rete alternata a frequenza fissa, una tensione alternata trifase di valore efficace e di frequenza variabile (C Fig.13). L’alimentazione del variatore potrà essere monofase per le basse potenze (ordine di grandezza di qualche kW) e trifase per potenze più elevate. A Fig. 13 LSchema di principio di un convertitore di frequenza Alcuni variatori di bassa potenza accettano indifferentemente tensioni d’alimentazione monofase e trifase. La tensione di uscita del variatore è sempre trifase. I motori asincroni monofase non sono molto adatti all’alimentazione mediante convertitore di frequenza. I convertitori di frequenza alimentano motori a gabbia standard con tutti i vantaggi legati a questo tipo di motore: standardizzazione, basso costo, robustezza, tenuta stagna, nessuna manutenzione. Dal momento che questo tipo di motore è auto-ventilato, il suo unico limite d’impiego è l’utilizzo prolungato a bassa velocità per la riduzione di ventilazione. Se si desidera questo tipo di funzionamento è necessario prevedere un motore speciale dotato di una ventilazione forzata indipendente. • Variatore di tensione per l’avviamento dei motori asincroni Questo tipo di variatore (conosciuto anche con il nome di soft starter, vedere anche il capitolo Motori e Carichi) è utilizzato quasi unicamente per l’avviamento dei motori. In passato, associato a motori speciali (motori a gabbia resistente), veniva utilizzato per realizzare la variazione di velocità di questi motori. Questo dispositivo fornisce, a partire da una rete alternata, una tensione variabile della stessa frequenza. Lo schema più comune comporta due tiristori montati in anti-parallelo in ciascuna fase del motore (C Fig.14). Lo stesso variatore può essere utilizzato per realizzare una decelerazione programmata. Una volta effettuato l’avviamento, il variatore può essere messo in cortocircuito mediante un contattore ed essere utilizzato per l’avviamento di un altro motore. A Fig. 14 LAvviatore di motori asincroni e forma della corrente d’alimentazione Questo tipo di utilizzo è frequente nelle stazioni di pompaggio poiché, per mettere in servizio una pompa supplementare in funzione delle esigenze della rete d’impiego, viene utilizzato un solo avviatore. Lo schema di principio è descritto nel capitolo Motori e carichi. Schneider Electric 109 5 2_11500-CHAPITRE-5_5.qxd:11500-CHAPITRE-5_5.qxd Partenze-motore 5.6 13-11-2009 5.6 16:55 Pagina 110 Composizione, componenti degli avviatori e variatori elettronici Composizione, componenti degli avviatori e variatori elettronici b Composizione Gli avviatori e i variatori di velocità elettronici sono composti da due moduli generalmente integrati nello stesso contenitore (C Fig.15) : - un modulo di controllo che gestisce il funzionamento dell'apparecchio, - un modulo di potenza che alimenta il motore con l'energia elettrica. v Il modulo di controllo Sugli avviatori e i variatori moderni, tutte le funzioni sono comandate da un microprocessore che utilizza le regolazioni, gli ordini trasmessi da un operatore o da un'unità di elaborazione, e i risultati di misurazioni come la velocità, la corrente, ecc... Le capacità di calcolo dei microprocessori e dei circuiti dedicati (ASIC) hanno permesso di realizzare algoritmi di comando estremamente performanti e, cosa importantissima, il riconoscimento della macchina azionata. A partire da queste informazioni, il microprocessore gestisce le rampe di accelerazione e decelerazione, l'asservimento di velocità, la limitazione di corrente e genera il comando dei componenti di potenza. Le protezioni e le sicurezze sono elaborate da circuiti specializzati (ASIC) o integrati nei moduli di potenza (IPM). Le regolazioni (limiti di velocità, rampe, limitazione di corrente, ecc...) si effettuano mediante tastiere integrate, o a partire da controllori programmabili mediante bus di campo o PC per il caricamento di regolazioni standard. Gli ordini (marcia, arresto, frenatura...) possono essere dati mediante interfacce di dialogo uomo/macchina, controllori programmabili, PC. I parametri di funzionamento e le informazioni di allarme e di difetto possono essere visualizzati mediante lampade spia, LED, visualizzatori a segmenti o a cristalli liquidi, o possono essere remotati verso supervisori mediante bus di campo. Dei relè spesso configurabili forniscono le informazioni di: - difetto (rete, termico, prodotto, sequenza, sovraccarico, ecc...), - controllo (soglia di velocità, preallarme, fine avviamento). A Fig. 15 LStruttura generale di un variatore di velocità elettronico Un’alimentazione integrata al variatore e separata galvanicamente dalla rete fornisce le tensioni necessarie all’insieme dei circuiti di misura e di controllo. v Il modulo di potenza Il modulo di potenza è costituito principalmente da: - componenti di potenza (diodi, tiristori, IGBT, ecc...), - interfacce di misura delle tensioni e/o delle correnti, - e spesso da un elemento di ventilazione. • I componenti di potenza I componenti di potenza sono dei semi-conduttori che funzionano in ON/OFF, quindi paragonabili a interruttori statici che possono assumere i due stati: passante o bloccato. Questi componenti, associati in un modulo di potenza, costituiscono un convertitore che alimenta, a partire dalla rete a tensione e frequenza fisse, un motore elettrico ad una tensione e/o una frequenza variabili. I componenti di potenza sono la chiave di volta della variazione di velocità; i progressi di questi ultimi anni hanno permesso di realizzare variatori di velocità economici. I materiali semi-conduttori, quali il silicio, hanno una resistività situata tra quella dei conduttori e quella degli isolanti. 110 Schneider Electric 2_11500-CHAPITRE-5_5.qxd:11500-CHAPITRE-5_5.qxd 13-11-2009 16:55 Pagina 111 I loro atomi hanno 4 elettroni periferici. Ciascun atomo si associa con 4 atomi vicini per formare una struttura stabile a 8 elettroni. Un semi-conduttore di tipo P si ottiene incorporando al silicio puro una proporzione ridotta di un corpo con atomi a 3 elettroni periferici. Mancherà quindi un elettrone per formare una struttura a 8 elettroni e si avrà quindi un’eccedenza di cariche positive. Un semi-conduttore di tipo N si ottiene incorporando un corpo con atomi a 5 elettroni periferici. Si avrà quindi un’eccedenza di elettroni, ovvero un’eccedenza di cariche negative. Il diodo (C Fig.16a) Il diodo è un semi-conduttore non controllato che comprende due zone P (anodo) e N (catodo) e che lascia passare la corrente in un solo senso, dall'anodo verso il catodo. Il diodo è conduttore quando l'anodo è a una tensione più positiva rispetto a quella del catodo comportandosi quindi come un interruttore chiuso. Se la tensione dell'anodo diventa meno positiva di quella del catodo, il diodo blocca la corrente e si comporta come un interruttore aperto. A Fig. 16a L Il diodo presenta le seguenti caratteristiche principali: • allo stato passante: - una caduta di tensione composta da una tensione di soglia e una resistenza interna, - una corrente massima permanente ammessa (ordine di grandezza fino a 5 000 A per i componenti più potenti). • allo stato bloccato: - una tensione massima ammessa che può superare i 5 000 V cresta. Il tiristore (C Fig.16b) È un semi-conduttore controllato composto da quattro strati alternati: P-N-P-N. Si comporta come un diodo mediante invio di un impulso elettrico su un elettrodo di comando chiamato «porta» (gate). Questa chiusura (o accensione) è possibile solo se l'anodo è ad una tensione più positiva del catodo. Il tiristore si blocca quando la corrente che lo attraversa si annulla. A Fig. 16b L L'energia di accensione da fornire sulla porta non è collegata alla corrente da commutare e non è necessario mantenere una corrente nella porta durante la conduzione del tiristore. Il tiristore presenta le seguenti caratteristiche principali: • allo stato passante: - una caduta di tensione composta da una tensione di soglia e una resistenza interna, - una corrente massima permanente ammessa (ordine di grandezza fino a 5 000 A per i componenti più potenti). • allo stato bloccato: - una tensione inversa e diretta massima ammessa (che può superare i 5 000 V cresta), - generalmente le tensioni dirette e inverse sono uguali, - un tempo di ripristino che è il tempo minimo durante il quale non è possibile applicare una tensione anodo catodo positivo al componente per evitare il suo rinnesco spontaneo, - una corrente di porta che consente l’accensione del componente. Vi sono tiristori destinati a funzionare alla frequenza della rete, altri detti « rapidi » in grado di funzionare a qualche kilohertz, disponendo di un circuito di estinzione. I tiristori rapidi presentano talvolta dissimetria tra le tensioni di bloccaggio diretta e inversa. Negli schemi comuni sono infatti spesso associati ad un diodo collegato in antiparallelo e i costruttori di semi-conduttori utilizzano questa particolarità per aumentare la tensione diretta che il componente può sopportare allo stato bloccato. Schneider Electric 111 5 2_11500-CHAPITRE-5_5.qxd:11500-CHAPITRE-5_5.qxd Partenze-motore 13-11-2009 5.6 16:55 Pagina 112 Composizione, componenti degli avviatori e variatori elettronici Oggi questi componenti sono stati completamente sostituiti dai tiristori GTO, dai transistori di potenza e soprattutto dagli IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor). A Fig. 16c L Il tiristore GTO (Gate Turn Off) (C Fig.16c) È una variante del tiristore rapido che presenta la particolarità di poter essere bloccato dal proprio gate. Una corrente positiva inviata sul gate (o porta) genera la messa in conduzione del semi-conduttore a condizione che l’anodo sia ad una tensione più positiva del catodo. Per mantenere il GTO conduttore e limitare la caduta di tensione è necessario mantenere la corrente di porta che generalmente è molto inferiore a quella necessaria per inizializzare la messa in conduzione. Il bloccaggio si effettua invertendo la polarità della corrente di porta. Il GTO viene utilizzato sui convertitori di fortissima potenza poiché è in grado di controllare le tensioni e le correnti forti (fino a 5 000 V e 5 000 A). Tuttavia i progressi degli IGBT ne hanno ridotto il mercato. Il tiristore GTO presenta le seguenti caratteristiche principali: • allo stato passante: - una caduta di tensione composta da una tensione di soglia e da una resistenza interna, - una corrente di mantenimento di porta (o gate) destinata a ridurre la caduta di tensione diretta, - una corrente massima permanente ammessa, - una corrente di bloccaggio per provocare l’interruzione di corrente. • allo stato bloccato: - tensioni inversa e diretta massime ammesse, spesso dissimmetriche, come con i tiristori rapidi e per gli stessi motivi, - un tempo di ripristino che è il tempo minimo durante il quale è necessario mantenere la corrente di estinzione per evitare il suo rinnesco spontaneo, - una corrente di porta che consente l’accensione del componente. I GTO possono funzionare a frequenze di qualche kilohertz. Il transistor (C Fig.16d) È un semi-conduttore bipolare controllato costituito da tre zone alternate P-N-P o N-P-N. Lascia passare la corrente in un solo senso: dall’emettitore verso il collettore in tecnologia P-N-P, dal collettore verso l’emettitore in tecnologia N-P-N. I transistori di potenza in grado di funzionare a tensioni industriali sono del tipo N-P-N, spesso montati in « Darlington ». Il transistore è un amplificatore di corrente. A Fig. 16d L Il valore della corrente comandata dipende quindi dalla corrente di comando che circola nella base. Tuttavia può funzionare anche in ON/OFF come interruttore statico: aperto in assenza di corrente di base, chiuso iniettando nella base una corrente sufficiente per mantenerlo allo stato di saturazione. Si tratta di un secondo tipo di funzionamento che viene utilizzato nei circuiti di potenza dei variatori. I transistori bipolari coprono tensioni fino a 1 200 V e accettano correnti che possono raggiungere gli 800 A. Nei convertitori questo componente è stato sostituito dall’IGBT. Nel funzionamento che ci interessa il transistore bipolare presenta le seguenti caratteristiche principali: • allo stato passante: - una caduta di tensione composta da una tensione di soglia e da una resistenza interna, - una corrente massima permanente ammessa, - un guadagno in corrente β (per mantenere il transistore saturo è necessario che la corrente iniettata nella base sia superiore alla corrente che circola nel componente, divisa per il guadagno). 112 Schneider Electric 2_11500-CHAPITRE-5_5.qxd:11500-CHAPITRE-5_5.qxd 13-11-2009 16:55 Pagina 113 • allo stato bloccato: - una tensione diretta massima ammessa. I transistori di potenza utilizzati in variazione di velocità possono funzionare a frequenze di qualche kilohertz. L’IGBT (C Fig.16e) È un transistore di potenza comandato da una tensione applicata ad un elettrodo chiamata griglia o « gate » isolata dal circuito di potenza, da cui il nome « Insulated Gate Bipolar Transistor ». Questo componente richiede delle energie minime per far circolare delle correnti elevate. Viene oggi utilizzato in interruttore ON/OFF nella maggior parte dei convertitori di frequenza fino a potenze elevate (dell’ordine di MW). A Fig. 16e L Le sue caratteristiche tensione corrente sono simili a quelle dei transistori bipolari, ma le sue prestazioni in energia di comando e frequenza di commutazione sono nettamente superiori a tutti gli altri semi-conduttori. Le caratteristiche degli IGBT progrediscono molto rapidamente; attualmente sono disponibili dei componenti alta tensione (> 3 kV) e correnti elevate (diverse centinaia di Ampere). Il transistore IGBT presenta le seguenti caratteristiche principali: • una tensione di comando: - che consente la messa in conduzione e il bloccaggio del componente. • allo stato passante: - una caduta di tensione composta da una tensione di soglia e da una resistenza interna, - una corrente massima permanente ammessa. • allo stato bloccato: - una tensione diretta massima ammessa. I transistori IGBT utilizzati in variazione di velocità possono funzionare a frequenze di qualche decine di kilohertz. Il transistore MOS (C Fig.16f) Questo componente funziona in modo diverso dai precedenti, mediante modifica del campo elettrico in un semi-conduttore ottenuta polarizzando una griglia isolata da cui il nome MOS che stà per Metal Oxide Semiconductor. Il suo impiego in variazione di velocità è limitato agli utilizzi a bassa tensione (variatori di velocità alimentati tramite batteria) o bassa potenza, poiché la superficie di silicio necessaria all’ottenimento di una tensione di bloccaggio elevata con una caduta di tensione non importante allo stato passante non è realizzabile dal punto di vista economico. A Fig. 16f L Il transistore MOS ha le seguenti caratteristiche principali: • una tensione di comando: - che consente la messa in conduzione e il bloccaggio del componente. • allo stato passante: - una resistenza interna, - una corrente massima permanente ammessa. • allo stato bloccato: - una tensione diretta massima ammessa (che può superare i 1000 V). I transistori MOS utilizzati in variazione di velocità possono funzionare a frequenze di alcune centinaia di kilohertz. Sono d’impiego quasi universale negli alimentatori switching, sotto forma di componenti discreti o di ciruito integrato comprendente la potenza (MOS) e i circuiti di comando e regolazione. Schneider Electric 113 5 2_11500-CHAPITRE-5_5.qxd:11500-CHAPITRE-5_5.qxd Partenze-motore 13-11-2009 5.6 5.7 16:55 Pagina 114 Composizione, componenti degli avviatori e variatori elettronici Variatore-regolatore per motore a corrente continua L’IPM (Intelligent Power Module) Non è proprio un semi-conduttore, ma un assemblaggio (C Fig.17) che raggruppa un ponte ondulatore a transistori di potenza IGBT e la loro elettronica di comando basso livello. A Fig. 17 LModulo IPM (Intelligent Power Module) Sono contenuti nella stessa cassetta compatta: - 7 componenti IGBT, di cui sei per il ponte ondulatore e uno per la frenatura, - i circuiti di comando degli IGBT, - 7 diodi di potenza di ruota libera associati agli IGBT per consentire la circolazione di corrente, - le protezioni contro i cortocircuiti, le sovracorrenti e il superamento dei limiti di temperatura, - l’isolamento galvanico di questo modulo. Il ponte raddrizzatore a diodi è spesso integrato a questo stesso modulo. Questo assemblaggio consente di gestire nel miglior modo possibile i vincoli di cablaggio e di comando degli IGBT. 5.7 Variatore-regolatore per motore a corrente continua b Principio generale L’antenato dei variatori di velocità per motori a corrente continua è il gruppo Ward Leonard (C capitolo 3 Motori e carichi). Questo gruppo, composto da un motore di azionamento, generalmente asincrono e da un generatore a corrente continua a eccitazione variabile, alimenta uno o più motori a corrente continua. L’eccitazione è regolata da un dispositivo elettromeccanico (Amplidyne, Rototrol, Regulex) o da un sistema statico (amplificatore magnetico o regolatore elettronico). Questo dispositivo è stato oggi totalmente abbandonato a vantaggio dei variatori di velocità a semi-conduttori che realizzano in modo statico le stesse operazioni ma con prestazioni superiori. I variatori di velocità elettronici sono alimentati ad una tensione fissa a partire dalla rete alternata e forniscono al motore una tensione continua variabile. Un ponte di diodi o un ponte a tiristori, generalmente monofase, consente l’alimentazione del circuito di eccitazione. Il circuito di potenza è un raddrizzatore. Poichè la tensione da fornire deve essere variabile, questo raddrizzatore deve essere di tipo controllato, deve cioè comprendere componenti di potenza la cui conduzione può essere comandata (tiristori). La variazione della tensione di uscita si ottiene limitando più o meno il tempo di conduzione durante ogni semi-periodo. Più l'innesco del tiristore viene ritardato rispetto allo zero del semi-periodo, più il valore medio della tensione viene ridotto e, di conseguenza, la velocità del motore sarà più bassa (ricordiamo che lo spegnimento di un tiristore avviene automaticamente quando la corrente passa a zero). Per dei variatori di bassa potenza o dei variatori alimentati da una batteria di accumulatori, il circuito di potenza, talvolta costituito da transistori di potenza (chopper), fa variare la tensione continua di uscita regolando il tempo di conduzione. Questo modo di funzionamento è detto MLI (Modulazione a Larghezza d’Impulso). 114 Schneider Electric 2_11500-CHAPITRE-5_5.qxd:11500-CHAPITRE-5_5.qxd 13-11-2009 16:55 Pagina 115 b Regolazione La regolazione consiste nel mantenere con precisione la velocità al valore impostato nonostante i disturbi (variazione della coppia resistente, della tensione di alimentazione, della tempertaura). Comunque, in fase di accelerazione o in caso di sovraccarico, l'intensità della corrente non deve raggiungere un valore tale da danneggiare il motore o il dispositivo di alimentazione. Un anello di regolazione interno al variatore mantiene la corrente ad un valore accettabile. Questo limite è accessibile per consentire la regolazione in funzione delle caratteristiche del motore. La velocità è fissata da un segnale, analogico o digitale, trasmesso tramite un bus di campo o da un altro dispositivo che fornisce una tensione immagine della velocità desiderata. Il riferimento può essere fisso o variare durante il ciclo di funzionamento della macchina azionata. Delle rampe di accelerazione e di decelerazione regolabili applicano in modo progressivo la tensione di riferimento corrispondente alla velocità desiderata. L’evoluzione di questa rampa può seguire tutte le forme volute. La regolazione delle rampe definisce la durata dell’accelerazione e del rallentamento. Ad anello chiuso la velocità reale viene misurata permanentemente da una dinamo tachimetrica o da un generatore di impulsi (C capitolo 6 Acquisizioni di dati) e confrontata con il riferimento. Se viene rilevato uno scarto, l'elettronica di controllo realizza una correzione della velocità. La gamma di velocità si estende da alcuni giri al minuto fino alla velocità massima. All’interno di questa gamma di variazione, si ottiene facilmente una precisione superiore all’1 % in regolazione analogica e superiore a 1 / 1 000 in regolazione digitale. Accumulando tutte le variazioni possibili (vuoto/carico, variazione di tensione, di temperatura, ecc...), la regolazione può anche essere effettuata a partire dalla misura della tensione del motore tenendo conto della corrente che lo attraversa. Le prestazioni sono in questo caso nettamente inferiori, sia nella gamma di velocità che nella precisione (qualche % tra marcia a vuoto e marcia in carico). b Inversione del senso di marcia e frenatura con recupero di energia Per invertire il senso di marcia, è necessario invertire la tensione dell’indotto mediante dei contattori (soluzione ormai abbandonata) o in statico mediante inversione della polarità di uscita del variatore di velocità o della polarità della corrente di eccitazione. Quest’ultima soluzione è molto rara data la costante di tempo dell’induttore. A Fig. 18 LSchema di un variatore con inversione di marcia e frenatura mediante recupero di energia per un motore a corrente continua Quando si desidera una frenatura controllata o il tipo di carico la impone (coppia di azionamento), è necessario rinviare l’energia alla rete. In fase di frenatura il variatore funziona come ondulatore, in altri termini la potenza che lo attraversa è negativa. I variatori in grado di effettuare i due tipi di funzionamento (inversione e frenatura mediante recupero di energia) sono dotati di due ponti collegati in antiparallelo (C Fig.18). Ciascuno dei due ponti consente di invertire la tensione, la corrente e il segno dell’energia che circola tra la rete e il carico. Schneider Electric 115 5 2_11500-CHAPITRE-5_5.qxd:11500-CHAPITRE-5_5.qxd Partenze-motore 19-11-2009 5.7 5.8 14:40 Pagina 116 Variatore-regolatore per motore a corrente continua Convertitore di frequenza per motore asincrono b Modi di funzionamento possibili Il tipo di carico viene trattato in modo più dettagliato nel capitolo 3 Motori e carichi. Per quanto riguarda il funzionamento del motore a corrente continua, verrà trattato il funzionamento « a coppia costante » e il funzionamento a « potenza costante ». v Funzionamento detto a « coppia costante » Ad eccitazione costante, la velocità del motore dipende dalla tensione applicata all’indotto del motore. La variazione di velocità è possibile dall’arresto fino alla tensione nominale del motore scelta in funzione della tensione alternata d’alimentazione. La coppia motore è proporzionale alla corrente d’indotto e la coppia nominale della macchina può essere ottenuta in modo continuo a tutte le velocità. v Funzionamento detto a « potenza costante » Quando la macchina è alimentata alla sua tensione nominale è ancora possibile aumentare la sua velocità riducendo la corrente di eccitazione. Il variatore di velocità deve, in questo caso, comprendere un ponte raddrizzatore controllato che alimenta il circuito di eccitazione. La tensione d’indotto rimane allora fissa e uguale alla tensione nominale e la corrente di eccitazione viene regolata per ottenere la velocità desiderata. La potenza viene espressa con la formula: P=E.I ove E rappresenta la tensione di alimentazione, I rappresenta la corrente d’indotto. La potenza, per una data corrente d’indotto, è quindi costante sull’intera gamma di velocità, ma la velocità massima viene limitata da due parametri: - il limite meccanico legato all’indotto e in particolare la forza centrifuga massima supportabile dal collettore, - le possibilità di commutazione della macchina, generalmente più limitative. Il costruttore del motore deve quindi effettuare la scelta più corretta, soprattutto in funzione della gamma di velocità a potenza costante. 5.8 Convertitore di frequenza per motore asincrono Il variatore di velocità per motore asincrono riprende gli stessi principi base del variatore per motore a corrente continua. La comparsa sul mercato di variatori di velocità economici per motori asincroni è abbastanza recente. In Francia Schneider Electric è stata una delle aziende pioniere del settore. L’evoluzione delle tecnologie ha permesso la realizzazione di variatori economici, affidabili e performanti. b Principio generale Il convertitore di frequenza, alimentato a tensione e frequenza fisse dalla rete, garantisce al motore, in funzione delle esigenze di velocità, la sua alimentazione a corrente alternata con tensione e frequenza variabili. Per alimentare correttamente un motore asincrono a coppia costante, qualsiasi sia la velocità, è necessario mantenere il flusso costante; perché questo si verifichi occorre che la tensione e la frequenza evolvano simultaneamente e nelle stesse proporzioni. 116 Schneider Electric 2_11500-CHAPITRE-5_5.qxd:11500-CHAPITRE-5_5.qxd 19-11-2009 14:40 Pagina 117 b Composizione A Fig. 19 LSchema di principio di un convertitore di frequenza Il circuito di potenza è composto da un raddrizzatore e un convertitore che, a partire dalla tensione raddrizzata, produce una tensione di ampiezza e frequenza variabili (C Fig. 19). Per rispettare la direttiva CE e le norme associate, a monte del ponte raddrizzatore viene posizionato un filtro «rete». v Il raddrizzatore Il raddrizzatore è generalmente dotato di un ponte raddrizzatore a diodi e di un circuito di filtraggio costituito da uno o più condensatori in funzione della potenza. Un circuito di limitazione controlla la corrente alla messa sotto tensione del variatore. Alcuni convertitori utilizzano un ponte a tiristori per limitare la corrente di spunto dei condensatori di filtraggio, caricati ad un valore più o meno uguale al valore cresta della sinusoide rete (circa 560 V in 400 V trifase). Malgrado la presenza di circuiti di scarica, i condensatori potrebbero conservare una tensione pericolosa in assenza della tensione rete. Un intervento all’interno del prodotto può quindi essere effettuato esclusivamente da personale qualificato che ben conosce le precauzioni indispensabili da prendere (circuito di scarico aggiuntivo o conoscenza del tempo di attesa). v L’ondulatore Il ponte ondulatore, collegato a questi condensatori, utilizza sei semiconduttori di potenza (solitamente degli IGBT) e dei diodi di ruota libera associati. Questo tipo di variatore è destinato all'alimentazione dei motori asincroni a gabbia. L’Altivar di Schneider Electric consente di creare una mini-rete elettrica a tensione e frequenza variabili in grado di alimentare un unico motore o diversi motori in parallelo. Comprende: - un raddrizzatore con condensatori di filtraggio, - un ondulatore a 6 IGBT e 6 diodi, - un chopper collegato ad una resistenza di frenatura (generalmente esterna al prodotto), - i circuiti di comando dei transistori IGBT, - un’unità di controllo organizzata intorno ad un microprocessore che garantisce il comando dell’ondulatore, - sensori interni per misurare la corrente motore, la tensione continua presente ai morsetti dei condensatori e in alcuni casi le tensioni presenti ai morsetti del ponte raddrizzatore e del motore oltre che tutte le grandezze necessarie al controllo e alla protezione dell’insieme moto-variatore, - un’alimentazione per i circuiti elettronici basso livello. L’alimentazione viene realizzata da un circuito a sezionamento collegato ai morsetti dei condensatori di filtraggio che utilizza la riserva di energia. In tal modo l’Altivar permette di evitare fluttuazioni della rete e brevi interruzioni della tensione, offrendo prestazioni interessanti in presenza di reti fortemente disturbate. b La variazione di velocità A Fig. 20 LLa modulazione di larghezza di impulsi La generazione di tensione di uscita si ottiene mediante modulazione della tensione raddrizzata attraverso impulsi la cui durata, quindi larghezza, viene modulata in modo tale che la corrente alternata risultante sia il più possibile sinusoidale (C Fig.20). Questa tecnica conosciuta con il nome di MLI (Modulazione a Larghezza d’Impulsi o PWM in inglese) condiziona la rotazione regolare a bassa velocità e limita i riscaldamenti. La frequenza di modulazione è un compromesso: deve essere sufficientemente elevata per ridurre l’ondulazione di corrente e il rumore nel motore senza naturalmente aumentare le perdite nel ponte ondulatore e nei semi-conduttori. Due rampe regolano l'accelerazione e il rallentamento. Schneider Electric 117 5 2_11500-CHAPITRE-5_5.qxd:11500-CHAPITRE-5_5.qxd Partenze-motore 13-11-2009 5.8 16:55 Pagina 118 Convertitore di frequenza per motore asincrono b Le protezioni integrate Il variatore è autoprotetto e a sua volta protegge il motore contro i riscaldamenti eccessivi, bloccandosi fino al ripristino di una temperatura accettabile. Lo stesso vale per tutti i disturbi o le anomalie che possono alterare il funzionamento dell’insieme, quali sovratensioni, sottotensioni, assenze di fase in ingresso o uscita. Alcuni modelli di variatore integrano in un unico modulo IPM (Intelligent Power Module) il raddrizzatore, l’ondulatore, il chopper, il comando e le protezioni contro i cortocircuiti. b Legge di comando del motore asincrono I variatori di velocità per motori asincroni di prima generazione utilizzavano il comando scalare o V/Hz, che dal punto di vista economico rappresentava l’unica possibilità realizzabile. La comparsa dei microprocessori con le loro notevoli potenze di calcolo ha permesso il passaggio al controllo vettoriale, molto più performante. I costruttori di variatori propongono oggi sulla maggior parte dei loro prodotti il controllo scalare, il controllo vettoriale senza sensore e, su alcuni modelli il controllo vettoriale con sensore. v Funzionamento in U/f In questo tipo di funzionamento il riferimento velocità impone una frequenza all’ondulatore e di conseguenza al motore, determinando la velocità di rotazione. La tensione d’alimentazione è in relazione diretta con la frequenza. Questo funzionamento viene spesso chiamato funzionamento a U/f costante o funzionamento scalare. Se non viene effettuata nessuna compensazione, la velocità reale varia con il carico e in questo modo la gamma di funzionamento e le prestazioni vengono limitate. Una compensazione sommaria può essere utilizzata per tener conto dell’impedenza interna del motore e limitare la caduta di velocità in carico. v Controllo vettoriale di flusso senza trasduttore Grazie all’elettronica di comando che utilizza il controllo vettoriale di flusso o CVF (CFig.21) le prestazioni aumentano notevolmente. A Fig. 21 118 LSchema di principio di un variatore a controllo vettoriale di flusso Schneider Electric 2_11500-CHAPITRE-5_5.qxd:11500-CHAPITRE-5_5.qxd 19-11-2009 14:41 Pagina 119 Quasi tutti i variatori moderni integrano questa funzione di base. Nella maggior parte delle applicazioni, l’impostazione o la valutazione dei parametri della macchina consente di fare a meno del sensore di velocità. In questo caso un motore standard può essere utilizzato con la limitazione usuale del funzionamento prolungato a bassa velocità. Il variatore elabora le informazioni a partire dalle grandezze misurate ai morsetti della macchina (tensione e corrente). Questo modo di controllo offre prestazioni accettabili senza aumentare i costi. Per ottenere tali prestazioni è necessario conoscere alcuni parametri della macchina. Alla messa in servizio l’operatore deve inserire nei parametri di regolazione del variatore le caratteristiche indicate sulla targa motore: UNS: tensione nominale motore, FRS: frequenza nominale statore, NCR: corrente nominale statore, NSP: velocità nominale, COS: coseno motore. Queste sigle vengono utilizzate dai variatori Altivar di Schneider Electric. A partire da questi valori il variatore calcola le caratteristiche del rotore: Lm, Tr. (Lm: induttanza magnetizzante, Tr: momento della coppia). Alla messa sotto tensione un variatore con controllo vettoriale di flusso senza sensore (tipo ATV71 di Schneider Electric) esegue un’autoregolazione che gli consente di determinare i parametri statorici Rs, Lf. Questa misura può essere effettuata con motore collegato alla meccanica. La durata varia in funzione della potenza motore (da 1 a 10 s). Questi valori vengono memorizzati e consentono al prodotto di elaborare le leggi di comando. L’oscillogramma della Fig. 22 rappresenta la messa in velocità di un motore alla sua coppia nominale alimentato da un variatore senza sensore. Si noterà la linearità della messa in velocità e la rapidità di ottenimento della coppia nominale (meno di 0.2 s). La velocità nominale si ottiene in 0.8 secondi. A Fig. 22 LCaratteristiche di un motore alla sua messa sotto tensione mediante un variatore con controllo vettoriale di flusso senza sensore (tipo ATV71 – Schneider Electric) Schneider Electric 119 5 2_11500-CHAPITRE-5_5.qxd:11500-CHAPITRE-5_5.qxd Partenze-motore 19-11-2009 5.8 14:41 Pagina 120 Convertitore di frequenza per motore asincrono v Variatore con controllo vettoriale di flusso ad anello chiuso con trasduttore Il controllo vettoriale di flusso ad anello chiuso con trasduttore è un’altra possibilità. Questa soluzione ricorre alla trasformata di Park e consente di controllare indipendentemente la corrente (Id) garantendo il flusso nella macchina e la corrente (Iq) garantendo la coppia (uguale al prodotto Id, Iq). Il comando del motore è analogo a quello di un motore a corrente continua. Questa soluzione (C Fig.23) garantisce la risposta alle applicazioni esigenti: forte dinamica durante i transitori, precisione di velocità, coppia nominale all’arresto. A Fig. 23 LSchema di principio di un variatore con controllo vettoriale di flusso con trasduttore La coppia massima transitoria è pari a 2 o 3 volte la coppia nominale a seconda del tipo di motore. A Fig. 24 LOscillogramma della messa in velocità di un motore, caricato alla sua coppia nominale alimentato mediante un variatore con controllo vettoriale di flusso (tipo ATV71 – Schneider Electric). Inoltre, la velocità massima raggiunge spesso il doppio della velocità nominale, o di più se il motore lo permette dal punto di vista meccanico. Questo tipo di controllo consente anche delle bande passanti molto elevate e delle prestazioni paragonabili e anche superiori a quelle dei migliori variatori a corrente continua. In compenso, il motore utilizzato non è di costruzione standard per la presenza di un encoder ed eventualmente di una ventilazione forzata. L’oscillogramma della Fig. 24 rappresenta la messa in velocità di un motore caricato alla sua coppia nominale, alimentato mediante un variatore con controllo vettoriale di flusso con trasduttore. La scala dei tempi è di 0.1 s per divisione. Rispetto allo stesso prodotto senza sensore, l’aumento delle prestazioni è sensibile. La coppia nominale si stabilisce in 80 ms e il tempo di salita in velocità, nelle stesse condizioni di carico, è di 0.5 secondi. In conclusione, la tabella della Fig. 25 mette a confronto le rispettive prestazioni di un variatore nelle tre configurazioni possibili. b Inversione del senso di marcia e frenatura A Fig. 25 120 LPrestazioni rispettive di un variatore nelle tre configurazioni possibili (tipo ATV71 – Schneider Electric) Per invertire il senso di marcia, un ordine esterno (su un ingresso dedicato a questo effetto, oppure per un segnale che circola su un bus di comunicazione) genera l’inversione nell’ordine di funzionamento dei componenti dell’ondulatore, quindi del senso di rotazione del motore. Schneider Electric 2_11500-CHAPITRE-5_5.qxd:11500-CHAPITRE-5_5.qxd 13-11-2009 16:55 Pagina 121 Sono possibili diversi funzionamenti. v 1° caso: inversione immediata del senso di comando dei semiconduttori Se il motore è sempre in rotazione al momento dell’inversione del senso di marcia, si avrà uno scorrimento importante e la corrente nel variatore sarà uguale alla soglia massima ammessa (limitazione interna). La coppia di frenatura è debole a causa del forte scorrimento e la regolazione interna riporta il riferimento di velocità ad un valore basso. Quando il motore raggiunge la velocità nulla, si avrà l’inversione della velocità secondo la rampa. L’eccesso di energia non assorbita dalla coppia resistente e dagli attriti viene dissipata nel rotore. v 2° caso: inversione del senso di comando dei semiconduttori preceduta da una decelerazione con o senza rampa Se la coppia resistente della macchina è tale che la decelerazione naturale è più rapida della rampa fissata dal variatore, quest’ultimo continuerà a fornire energia al motore. La velocità diminuisce progressivamente e si inverte. Se la coppia resistente della macchina è tale da avere una decelerazione naturale più lenta della rampa fissata dal variatore, il motore si comporterà come un generatore ipersincrono e restituirà energia al variatore. Tuttavia, dal momento che la presenza del ponte di diodi impedisce il rinvio di energia verso la rete, i condensatori di filtraggio si caricano, la tensione aumenta e il variatore si blocca. Per evitare questo è necessario disporre di una resistenza collegata ai morsetti dei condensatori mediante un chopper in modo da limitare la tensione ad un valore accettabile. La coppia di frenatura sarà limitata solo più dalle capacità del variatore di velocità: la velocità diminuisce progres-sivamente e s’inverte. Per questo tipo di funzionamento il costruttore del variatore fornisce delle resistenze di frenatura dimensionate in funzione della potenza del motore e delle energie da dissipare. Poiché nella maggior parte dei casi il chopper è incluso di base nel variatore, solo la presenza di una resistenza di frenatura distingue un variatore in grado di garantire una frenatura controllata. Questo modo di frenatura quindi risulta essere particolarmente economico. Questo tipo di funzionamento consente di rallentare un motore fino all’arresto senza necessariamente invertire il senso di rotazione. v 3° caso: funzionamento prolungato in frenatura Un caso tipo di applicazione è rappresentato dai banchi di prova per motori. Essendo impossibile ipotizzare la dissipazione dell’energia così prodotta nelle resistenze, il bilancio energetico sarebbe inaccettabile e la dissipazione delle calorie problematica. La maggior parte dei costruttori propone della associazioni che consentono di restituire alla rete l’energia recuparata. Generalmente il ponte di diodi collegato alla rete viene sostituito da un ponte di semiconduttori controllati composto da IGBT. La restituzione, con un comando MLI adatto, avviene nella maggior parte dei casi sotto forma di corrente sinusoidale. v Altre possibilità di frenatura Una frenatura economica può essere facilmente realizzata facendo funzionare l’uscita del variatore come chopper con iniezione di corrente continua negli avvolgimenti. La coppia di frenatura non è controllata. Si tratta di un metodo poco efficace soprattutto a grande velocità, che non assicura il controllo della rampa di decelerazione. Tuttavia è una soluzione pratica per diminuire il tempo di arresto naturale della macchina. Poiché l’energia viene dissipata nel rotore questo tipo di funzionamento è, per natura, occasionale. Schneider Electric 121 5 2_11500-CHAPITRE-5_5.qxd:11500-CHAPITRE-5_5.qxd Partenze-motore 13-11-2009 5.8 16:55 Pagina 122 Convertitore di frequenza per motore asincrono b I modi di funzionamento possibili v Funzionamento detto a « coppia costante » Finchè la tensione fornita dal variatore può evolvere e nella misura in cui il flusso nella macchina è costante (rapporto U/f costante o meglio ancora con controllo vettoriale di flusso), la coppia motore sarà grosso modo proporzionale alla corrente e la coppia nominale della macchina potrà essere ottenuta sull’intera gamma di velocità (C Fig.26a). A Fig. 26a LCoppia di un motore asincrono a carico costante alimentato da un convertitore di frequenza [a] – zona di funzionamento a coppia costante, [b] – zona di funzionamento a potenza costante Tuttavia il funzionamento prolungato alla coppia nominale a bassa velocità è possibile solo se è prevista una ventilazione forzata del motore che richiede quindi un motore speciale. I variatori moderni dispongono di circuiti di protezione che stabiliscono un’immagine termica del motore in funzione della corrente, dei cicli di funzionamento e della velocità di rotazione: la protezione del motore è quindi garantita. v Funzionamento detto a « potenza costante » Quando la macchina è alimentata a tensione nominale è ancora possibile aumentarne la velocità alimentandola ad una frequenza superiore a quella della rete di distribuzione. Tuttavia, dal momento che la tensione di uscita del convertitore non può superare quella della rete, la coppia disponibile si abbassa in modo inversamente proporzionale all’aumentare della velocità (C Fig.26b). Al di sopra della velocità nominale, il motore non funziona più a coppia costante, ma a potenza costante (P = Cω), fino a quando la caratteristica nominale del motore lo consente. La velocità massima è limitata da due parametri: - il limite meccanico legato al rotore, - la riserva di coppia disponibile. A Fig. 26b 122 LCoppia di un motore asincrono a carico costante alimentato da un convertitore di frequenza [a] – zona di funzionamento a coppia costante, [b] – zona di funzionamento a potenza costante Per una macchina asincrona alimentata a tensione costante, dal momento che la coppia massima varia con il quadrato della velocità (C capitolo 3 Motori e carichi), il funzionamento a « potenza costante » è possibile solo all’interno di una gamma limitata di velocità determinata dalla caratteristica di coppia della macchina. Schneider Electric 2_11500-CHAPITRE-5_5.qxd:11500-CHAPITRE-5_5.qxd 13-11-2009 5.9 5.9 16:55 Pagina 123 Variatore di tensione per motore asincrono Variatore di tensione per motore asincrono b Storia e presentazione Questo dispositivo di variazione della tensione (C Fig.27) utilizzabile per l’illuminazione e il riscaldamento non viene praticamente più utilizzato come variatore di velocità. Nel passato questa soluzione veniva utilizzata con motori asincroni a gabbia resistente o ad anelli. Il modo di funzionamento è riportato nella Fig. 28. Si può chiaramente vedere che una variazione di velocità è possibile facendo variare la tensione e in particolare con un motore a gabbia resistente. Questi motori asincroni sono nella maggior parte dei casi trifase, solo occasionalmente monofase per le piccole potenze (fino a 3 kW circa). Molto utilizzati in passato per alcune applicazioni quali la variazione di velocità dei piccoli ventilatori, i variatori di tensione sono quasi scomparsi a vantaggio dei più economici convertitori di frequenza. 5 A Fig. 27 LAvviatore di motori asincroni e forma della corrente d’alimentazione A Fig. 28 LCoppia disponibile di un motore asincrono alimentato a tensione variabile e il cui ricevitore presenta una coppia resistente parabolica (ventilatore) [a] – motore a gabbia di scoiattolo, [b] – motore a gabbia resistente Il variatore di tensione, chiamato anche soft starter, è universalmente utilizzato per l’avviamento dei motori. I motori asincroni sono nella maggior parte dei casi trifase, solo occasionalmente monofase per le piccole potenze (fino a 3 kW circa). Il variatore di tensione viene utilizzato come avviatore rallentatore progressivo se non è necessaria una coppia di avviamento elevata e consente di limitare lo spunto di corrente, la caduta di tensione che ne deriva e gli urti meccanici dovuti alla comparsa improvvisa della coppia. Tra le applicazioni più comuni citiamo l’avviamento delle pompe centrifughe e dei ventilatori, dei nastri trasportatori, delle scale mobili, degli impianti di lavaggio automobili (a tunnel), delle macchine dotate di cinghie, ecc... e in variazione di velocità sui motori di bassissima potenza o sui motori universali, come negli utensili elettrici portatili. Nel caso delle pompe la funzione rallentatore consente anche di eliminare i colpi di ariete. Sul mercato sono disponibili tre tipi di avviatori: ad una fase controllata nelle piccole potenze, a due fasi controllate (la terza è una connessione diretta), o con tutte le fasi controllate. I primi due sistemi sono adatti solo per cicli di funzionamento poco severi a causa dell’elevato tasso di armoniche. Schneider Electric 123 2_11500-CHAPITRE-5_5.qxd:11500-CHAPITRE-5_5.qxd Partenze-motore 19-11-2009 5.9 14:41 Pagina 124 Variatore di tensione per motore asincrono b Principio generale Il gruppo di potenza comprende per ciascuna fase 2 tiristori montati in antiparallelo (C Fig. 28). La variazione di tensione si ottiene facendo variare il tempo di conduzione dei tiristori nel corso di ogni semi-periodo. Più l'istante di innesco viene ritardato, più il valore della tensione risultante sarà basso. L'innesco dei tiristori è gestito da un microprocesssore che garantisce anche le seguenti funzioni: - controllo delle rampe di aumento tensione e di diminuzione tensione regolabili; la rampa di decelerazione potrà essere seguita solo se il tempo di decelerazione naturale del sistema azionato è più lungo, - limitazione di corrente regolabile, - sovracoppia all’avviamento, - comando di frenatura con iniezione di corrente continua, - protezione del variatore contro i sovraccarichi, - protezione del motore contro i riscaldamenti dovuti ai sovraccarichi o agli avviamenti troppo frequenti, - rilevamento squilibri o assenze di fase, difetti tiristori. Un’unità di regolazione dei diversi parametri di funzionamento offre un valido aiuto alla messa in servizio, all'impiego e alla manutenzione. Alcuni variatori di tensione come l’Altistart (Schneider Electric) possono comandare l’avviamento e il rallentamento - di un solo motore, - di più motori simultaneamente, entro i limiti del suo calibro, - di più motori in successione mediante commutazione. In regime stabilito, ogni motore viene alimentato direttamente dalla rete attraverso un contattore. Solo l’Altistart dispone di un dispositivo brevettato che consente una stima della coppia motore permettendo di effettuare accelerazioni e decelerazioni lineari e, se necessario, di limitare la coppia motore. b Inversione del senso di marcia e frenatura L’inversione del senso di marcia si effettua mediante inversione delle fasi d’ingresso dell’avviatore. La frenatura si effettua quindi in contro corrente e tutta l’energia viene dissipata nel rotore della macchina. Il funzionamento è quindi per natura intermittente. b Frenatura di rallentamento mediante iniezione di corrente continua Una frenatura economica è facilmente realizzabile facendo funzionare l’uscita dell’avviatore come raddrizzatore iniettando una corrente continua negli avvolgimenti. La coppia di frenatura non è controllata e la frenatura è poco efficace, soprattutto a grande velocità. Di conseguenza la rampa di decelerazione non è controllata. Si tratta di una soluzione pratica per diminuire il tempo di arresto naturale della macchina. Poichè l’energia viene dissipata nel rotore questo modo di funzionamento è occasionale. 124 Schneider Electric 2_11500-CHAPITRE-5_5.qxd:11500-CHAPITRE-5_5.qxd 19-11-2009 14:54 Pagina 125 5.10 Moto-variatori sincroni 5.10 Moto-variatori sincroni b Principio generale I motovariatori sincroni (C Fig. 29) sono l’associazione di un convertitore di frequenza e di un motore sincrono a magneti permanenti dotato di un sensore. Questi servomotori vengono spesso chiamati « motori brushless ». Questi servomotori sono destinati a mercati specifici, come quello dei robot, dell’automazione o delle macchine-utensili, che richiedono volumi ridotti, accelerazioni rapide e una banda passante tesa. b Il motore Questo tipo di motore è presentato nel capitolo sui motori e quanto segue completa le informazioni per consentire al lettore di comprendere l’alimentazione con variatore di velocità. Il rotore del motore è dotato di magneti permanenti in neodimio e samario (terre rare) per ottenere un campo elevato in un volume ridotto. Lo statore comprende avvolgimenti trifase A, B, C (C Fig.30). A Fig. 29 LFotografia di un moto-variatore sincrono (Variatore Lexium + motore, Schneider Electric) A Fig. 30 LRappresentazione semplificata dello statore motore sincrono a magneti permanenti « motore brushless » Questo tipo di motori possono accettare correnti di sovraccarico importanti per realizzare accelerazioni molto rapide. Questo tipo di motori sono dotati di un sensore per indicare al variatore la posizione angolare dei poli del motore, al fine di garantire la commutazione degli avvolgimenti (C Fig.31). A Fig. 31 LRappresentazione semplificata di un motore sincrono a magneti permanenti « motore brushless » che illustra il sensore angolare di posizione del rotore Schneider Electric 125 5 2_11500-CHAPITRE-5_5.qxd:11500-CHAPITRE-5_5.qxd Partenze-motore 19-11-2009 14:55 Pagina 126 5.10 Moto-variatori sincroni 5.11 Moto-variatori passo-passo b Il variatore Nella sua composizione il variatore è simile ad un convertitore di frequenza: funziona in modo analogo. È costituito da un raddrizzatore e da un ondulatore a transistor a modulazione di larghezza di impulsi (MLI) che fornisce una corrente di uscita di forma sinusoidale. È frequente trovare più variatori di questo tipo alimentati da una stessa sorgente di corrente continua. Su una macchina-utensile, ad esempio, ciascun variatore comanda uno dei motori associati agli assi della macchina. Una sorgente comune a corrente continua alimenta in parallelo il gruppo di variatori. Questo tipo di installazione consente di mettere a disposizione dell’insieme di variatori l’energia che verrebbe dalla frenatura di uno degli assi. Come nei convertitori di frequenza una resistenza di frenatura associata ad un chopper consente di smaltire l’energia di frenatura in eccesso. Le funzioni di asservimento dell’elettronica e le basse costanti di tempo meccaniche ed elettriche garantiscono accelerazioni e più in generale bande passanti molto elevate unite ad una grandissima dinamica di velocità. 5.11 Moto-variatori passo-passo b Principio generale Il motovariatore passo-passo, progettualmente simile ad un convertitore di frequenza, è un apparecchio che associa l’elettronica di potenza ad un motore passo-passo. Funzionano ad anello aperto (senza trasduttore) e sono adatti alle applicazioni di posizionamento. b Il motore Il motore può essere a riluttanza variabile (VR(), a magneti permanenti o combinare le due soluzioni (C per informazioni dettagliate, capitolo 3 Motori e carichi). b Il variatore Nella composizione il variatore è analogo ad un convertitore di frequenza (raddrizzatore, filtraggio e ponte costituito da semiconduttori di potenza). Lo stadio di uscita alimenta le bobine del motore passo-passo, come nell’esempio della Fig. 32 per un motore passo-passo bipolare. Tuttavia il suo funzionamento è fondamentalmente diverso nella misura in cui l’obiettivo è iniettare una corrente costante negli avvolgimenti. A Fig. 32 126 LSchema di principio di un variatore per motore bipolare passo-passo Schneider Electric 2_11500-CHAPITRE-5_5.qxd:11500-CHAPITRE-5_5.qxd 13-11-2009 16:55 Pagina 127 5.11 Moto-variatori passo-passo 5.12 Le funzioni complementari dei variatori di velocità Talvolta ricorre alla modulazione a larghezza d’impulsi (MLI) per ottenere migliori prestazioni, soprattutto nei tempi di salita della corrente (C Fig.33), permettendo in tal modo di estendere la gamma di funzionamento. Il funzionamento (C Fig.34) a micropassi, già citato nel capitolo 3 Motori e carichi, consente di moltiplicare artificialmente il numero di posizioni possibili del rotore creando degli stadi successivi nelle bobine, per ciascuna sequenza. Le correnti in entrambe le bobine sembreranno quindi due correnti alternate sfasate di 90°. A Fig. 33 LAndatura della corrente risultante di un comando a MLI 5 A Fig. 34 LDiagramma, curve di corrente e principio di gradi per un comando a micropassi di un moto-variatore passo-passo Il campo risultante è la composizione vettoriale dei campi creati dalle due bobine. Il rotore assume così tutte le posizioni intermedie possibili. Lo schema rappresenta le correnti di alimentazione delle bobine B1 e B2 e le posizioni del rotore sono rappresentate dal vettore. 5.12 Le funzioni complementari dei variatori di velocità b Le possibilità di dialogo Per poter assicurare un funzionamento corretto del motore, i variatori integrano un certo numero di sensori per il controllo della tensione, delle correnti e dello stato termico del motore. Questi dati, indispensabili per il variatore, possono essere utili per l’utilizzo. Grazie ai progressi tecnologici e ai bus di campo I variatori e gli avviatori più recenti integrano funzioni di dialogo avanzate. Consentono quindi la generazione di informazioni utilizzabili da un controllore programmabile e da un supervisore per il comando della macchina; le informazioni di controllo vengono fornite dal controllore programmabile attraverso lo stesso canale. La funzione di dialogo mette a disposizione le seguenti informazioni: - impostazioni di velocità, - ordini di marcia o di arresto, - regolazioni iniziali del variatore o modifiche delle regolazioni con motore in funzione, - stato del variatore (marcia, arresto, sovraccarico, difetto), - allarmi, - stato del motore (velocità, coppia, corrente, temperatura). Schneider Electric 127 2_11500-CHAPITRE-5_5.qxd:11500-CHAPITRE-5_5.qxd Partenze-motore 19-11-2009 14:42 Pagina 128 5.12 Le funzioni complementari dei variatori di velocità Le funzioni di dialogo vengono utilizzate anche in collegamento con un PC per semplificare le regolazioni all’avviamento (telecaricamento) o per l’archiviazione delle regolazioni iniziali. b Le funzioni integrate Per assicurare un gran numero di applicazioni i variatori dispongono di diversi parametri di regolazione quali: - i tempi delle rampe di accelerazione e di decelerazione, - la forma delle rampe (lineari, a S, a U o configurabili), - le commutazioni di rampe che permettono di ottenere due rampe di accelerazione o di decelerazione per consentire ad esempio un accostamento in dolcezza, - la riduzione della coppia massima comandata da un ingresso logico o da un’impostazione, - la marcia passo-passo, - la gestione del comando di un freno per le applicazioni di sollevamento, - la scelta di velocità preselezionate, - la presenza di ingressi sommatori che consentono di sommare le impostazioni di velocità, - la commutazione dei riferimenti presenti all’ingresso del variatore, - la presenza di un regolatore PI per gli asservimenti semplici (velocità o portata ad esempio), - l’arresto automatico in seguito ad un’interruzione rete che permette la frenatura del motore, - il recupero automatico con ricerca della velocità del motore per una ripresa al volo, - la protezione termica del motore a partire da un’immagine generata nel variatore, - la possibilità di collegamento di sonde PTC integrate al motore, - l’occultazione di frequenza di risonanza della macchina (la velocità critica viene occultata in modo che il funzionamento permanente a quella frequenza sia reso impossibile), - il blocco temporizzato a bassa velocità nelle applicazioni di pompaggio in cui il fluido partecipa alla lubrificazione della pompa ed evita il grippaggio. Sui modelli più sofisticati di variatori quali l’ATV61 - ATV71 di Schneider Electric queste funzioni sono spesso funzioni base. b Le schede opzionali Per le applicazioni più complesse i costruttori offrono delle schede opzionali che consentono di realizzare funzioni specifiche, quali ad esempio il controllo vettoriale di flusso con sensore, oppure schede dedicate ad una funzione specifica. Sono ad esempio disponibili: - schede « commutazione di pompe » per realizzare in modo economico una stazione di pompaggio con un solo variatore che alimenta in successione più motori, - schede « multimotori », - schede « multiparametri» che consentono la commutazione automatica dei parametri predefiniti nel variatore, - schede personalizzate sviluppate su specifica richiesta del Cliente. Alcuni costruttori propongono anche delle schede controllore integrate al variatore per le applicazioni semplici. L’operatore dispone quindi di istruzioni di programmazione e di I/O per la realizzazione di piccoli sistemi di automazione che non giustificano la presenza di un controllore programmabile. 128 Schneider Electric 2_11500-CHAPITRE-5_5.qxd:11500-CHAPITRE-5_5.qxd 13-11-2009 16:55 Pagina 129 5.13 I variatori di velocità e il bilancio energetico 5.13 I variatori di velocità e il bilancio energetico b Fattore di sfasamento v Nota Il fattore di sfasamento o coseno ϕ è il coseno dell’angolo di sfasamento della corrente rispetto alla tensione. Il fattore di sfasamento ha significato solo per tensioni e correnti sinusoidali della stessa frequenza. Se la corrente prelevata alla sorgente presenta delle armoniche, come accade per la maggior parte dei variatori di velocità, il fattore di potenza sarà per definizione lo sfasamento della fondamentale (o prima armonica) della corrente rispetto alla fondamentale della tensione d’alimentazione. v 1° caso: il circuito d’ingresso composto da semiconduttori comandati tipo tiristore (es. variatore per motore a corrente continua) Il fattore di sfasamento è all’incirca uguale al coseno dell’angolo di ritardo all’innesco. In altri termini se la tensione di uscita è bassa (bassa velocità), il coseno ϕ è basso. Se la tensione di uscita è elevata (velocità elevata) il coseno ϕ si avvicina all’unità. Il coseno ϕ diventa negativo se il variatore restituisce energia alla rete nel caso di variatore reversibile. v 2 caso: ponte di diodi composto da diodi (es. convertitore di frequenza per motore asincrono) La componente fondamentale della corrente è quasi in fase con la tensione d’alimentazione e il coseno ϕ è vicino a 1. ° v 3° caso: circuito d’ingresso composto da semiconduttori comandati tipo IGBT Questa soluzione viene utilizzata per prelevare corrente sinusoidale. Con un comando MLI appropriato, il coseno ϕ è pari o vicino a 1. Un convertitore di frequenza associato ad un motore asincrono ha un miglior fattore di sfasamento rispetto al motore stesso. Infatti il ponte di diodi di cui generalmente è dotato questo tipo di convertitore ha un fattore di sfasamento vicino a 1. Sono i condensatori di filtraggio integrati nel variatore che fungono da « riserva » di energia reattiva. b Fattore di potenza v Nota Il fattore di potenza è il rapporto tra la potenza apparente S e la potenza attiva P. Fp = P/S La potenza attiva P è il prodotto della tensione fondamentale per la corrente fondamentale e il coseno ϕ P = U x I x coseno ϕ La potenza apparente S è uguale al prodotto del valore efficace della tensione per il valore efficace della corrente. Se la tensione e la corrente sono deformate sarà necessario effettuare la somma quadratica dei valori efficaci di ciascun ordine. Se l’impedenza della rete è bassa (come si verifica generalmente), la tensione d’alimentazione sarà vicina alla sinusoide. In compenso la corrente assorbita dai semiconduttori è ricca in armoniche, tanto più ricca quanto più bassa sarà l’impedenza della rete. Il valore efficace della corrente viene espresso con la seguente formula: Ieff = (I1_ + I2_+ I3_+ …… In_) 0.5 E la potenza apparente S con: oppure: Schneider Electric S= Veff x Ieff S = V x Ieff 129 5 2_11500-CHAPITRE-5_5.qxd:11500-CHAPITRE-5_5.qxd 13-11-2009 Partenze-motore 16:55 Pagina 130 5.13 I variatori di velocità e il bilancio energetico Un basso rapporto P/S denota una rete di alimentazione sovraccarica per la presenza di armoniche, con rischi di riscaldamento dei conduttori che dovranno quindi essere dimensionati di conseguenza. v 1° caso: circuito d’ingresso composto da semiconduttori comandati tipo tiristore (es. variatore per motore a corrente continua) Il prelievo di corrente è più o meno quadrato. Il fattore di potenza è basso con una bassa tensione di uscita e migliora con l’aumentare della tensione di uscita per raggiungere il valore di 0.7 circa. A Fig. 35 LForme della corrente assorbita un variatore di velocità da v 2° caso: ponte di diodi composto da diodi (es. convertitore di frequenza per motore asincrono) La corrente prelevata è ricca di armoniche (C Fig.35) e il fattore di potenza è basso qualsiasi sia la velocità del motore. Questo fenomeno può essere sopportato dai piccoli variatori ma diventa penalizzante con l’aumentare delle potenze. Per ridurre questo problema diventa indispensabile installare delle induttanze di linea e delle induttanze nei circuiti dell’alimentazione continua, in serie con i condensatori di filtraggio. Si otterrà quindi un’attenuazione dell’ampiezza delle armoniche e il miglioramento del fattore di potenza. I convertitori di frequenza che utilizzano un ponte di diodi, senza induttanza di linea o induttanza nel circuito continuo hanno un fattore di potenza dell’ordine di 0.5. v 3° caso: circuito d’ingresso composto da semiconduttori comandati tipo IGBT Questa soluzione viene utilizzata per prelevare corrente sinusoidale. Con un comando MLI adatto. Permette di ottenere una corrente vicina alla sinusoide e un fattore di potenza ottimale quasi uguale al fattore di sfasamento e vicino all’unità (C Fig.36). Il costo elevato di questa soluzione spiega la sua limitata diffusione nell’offerta dei costruttori. b Rendimento v Perdite nel convertitore Le perdite nei convertitori sono associate ai semiconduttori da cui sono composti. La perdite di energia nei semiconduttori sono di due tipi: - perdite per conduzione dovute alla tensione residua nell’ordine del volt, - le perdite per commutazione legate alla frequenza di commutazione. A Fig. 36 LPrelievo sinusoidale I semiconduttori con tempi di commutazione rapidi presentano le perdite di commutazione più basse, come nel caso degli IGBT che consentono frequenze di commutazione elevate. Di conseguenza i convertitori presentano rendimenti eccellenti superiori al 90%. v Perdite nel motore I motori associati ai convertitori vedono aumentare le loro perdite a causa della commutazione della tensione applicata. Tuttavia dal momento che la frequenza di commutazione è elevata la corrente assorbita è quasi sinusoidale (C Fig. 37) e le perdite supplementari possono essere considerate insignificanti. A Fig. 37 130 LAndatura della corrente motore Schneider Electric 2_11500-CHAPITRE-5_5.qxd:11500-CHAPITRE-5_5.qxd 13-11-2009 16:55 Pagina 131 5.14 I variatori di velocità e il risparmio energetico e di manutenzione 5.14 I variatori di velocità e il risparmio energetico e di manutenzione b Scelta del motore I convertitori di frequenza possono alimentare motori standard senza particolari precauzioni, se non il declassamento a bassa velocità nel caso di motori autoventilati. Tuttavia sarà sempre preferibile scegliere il motore con il miglior rendimento e il più alto cos ϕ. Per le basse potenze un motovariatore sincrono può essere una scelta intelligente per il rendimento superiore di questa associazione. La differenza del prezzo di acquisto viene infatti rapidamente ammortizzata. b Tipo di carico I convertitori di frequenza sono la soluzione migliore per la regolazione di portata delle pompe e dei ventilatori in ragione della caratteristica di coppia di questi carichi (C capitolo 3 Motori e carichi). L’utilizzo di variatori di velocità, per funzionamenti ON/OFF o sistemi di regolazione che utilizzano valvole, saracinesche o alette, permette un risparmio energetico notevole. La documentazione dei costruttori fornisce esempi di calcolo di risparmio energetico che consentono di valutare il ritorno sull’investimento. Questo risparmio può essere valutato solo conoscendo perfettamente l’applicazione; gli specialisti dei costruttori sono in grado di guidare l’utente nella scelta. b Riduzione delle operazioni di manutenzione I convertitori di frequenza e gli avviatori elettronici (C capitolo 4 Avviamento dei motori) effettuano un avviamento progressivo che elimina i limiti meccanici imposti alla macchina che può in questo modo essere ottimizzata direttamente in fase di progettazione. Nei comandi multimotore (ad es. una stazione di pompaggio) la gestione appropriata dei motori permette di equilibrare le ore di funzionamento di ciascun motore e di aumentare la disponibilità e la durata dell’installazione. b Conclusione Dal momento che la scelta di un variatore di velocità è profondamente legata al tipo di carico azionato e alle prestazioni desiderate, la ricerca e la definizione di un variatore devono passare attraverso l’analisi delle esigenze funzionali dell’apparecchioe e quindi delle prestazioni richieste per il motore stesso. Nella documentazione dei produttori di variatori di velocità vengono anche indicati parametri quali coppia costante, coppia variabile, potenza costante, controllo vettoriale di flusso, variatore reversibile, ecc... Queste indicazioni caratterizzano tutti i dati necessari per una corretta scelta del variatore più adatto. Una scelta non corretta del variatore può portare ad un funzionamento deludente. Allo stesso modo occorre tener conto della gamma di velocità desiderata per una corretta scelta dell’associazione motore/variatore. Si consiglia di rivolgersi ai servizi di assistenza specializzati dei costruttori con tutti i dati necessari a selezionare il variatore che possa garantire il miglior rapporto prezzo/prestazioni. Schneider Electric 131 5 2_11500-CHAPITRE-5_5.qxd:11500-CHAPITRE-5_5.qxd 13-11-2009 Partenze-motore 5.15 Prodotto 16:55 5.15 Tabella di scelta delle partenze-motore Tabella di scelta delle partenze-motore Contattore Avviatore progressivo Variatore velocità Relè termico Protezioni complementari Porta fusibili Funzione Sezionamento Interruzione Protezione cortocircuiti Sovraccarico Funzioni complementari Commutazione (ON/OFF, 2V, Δ) Commutazione a velocità variabile Commutazione a velocità variabile 132 Pagina 132 Schneider Electric Interruttore Interruttore fusibili Interruttore autom. linea Interruttore autom. Avviatore magneto-termico controllore 2_11500-CHAPITRE-5_5.qxd:11500-CHAPITRE-5_5.qxd 19-11-2009 14:57 Pagina 133 5 Schneider Electric 133