Quali sono i diversi tipi di azionamenti per motori industriali a velocità regolabile?

Di Jeff Shepard

Contributo di Editori nordamericani di DigiKey

Lo standard 61800 della Commissione Elettrotecnica Internazionale (IEC) riconosce due tipi di sistemi di azionamento elettrico a velocità regolabile (PDS) per applicazioni industriali. La norma 61800-1 si applica ai PDS a corrente continua (c.c.) e 61800-2 ai PDS a corrente alternata (c.a.). Il termine PDS si riferisce all'intero sistema di azionamento e motore.

Altre sezioni della norma 61800 trattano le metodologie di prova, i requisiti di sicurezza relativi alle condizioni termiche ed energetiche, la sicurezza funzionale, i requisiti elettrici e ambientali degli encoder, le interfacce elettriche e la misurazione delle prestazioni. La parte più recente, IEC 61800-9, riguarda la progettazione ecologica dei sistemi a motore, compresa la determinazione e la classificazione dell'efficienza energetica.

Mentre la norma IEC 61800 definisce i PDS a velocità regolabile in c.a. e c.c., esistono anche definizioni generali per gli azionamenti a velocità variabile (VSD) e gli azionamenti a frequenza variabile (VFD) nelle applicazioni industriali. La norma IEC 61800 si riferisce ai PDS alimentati in rete e collegati fino a 1,5 kVc.a. a 50 Hz o 60 Hz. Vale anche per le tensioni di ingresso c.c. dei sistemi alimentati a batteria, come i robot mobili autonomi (AMR) industriali che utilizzano azionamenti a velocità regolabile. Gli azionamenti per veicoli elettrici e di trazione sono esclusi dalla norma IEC 61800.

Questo articolo presenta brevemente le definizioni comuni di VSD e VFD e analizza i motivi per cui i VFD sono ampiamente utilizzati. Passa poi in rassegna le classi di efficienza definite nella norma IEC 61800-9 per i convertitori di frequenza e prende in considerazione alcuni esempi di VFD alimentati in rete di Delta Electronics, Siemens, Schneider Electric e Omron Automation, per poi concludersi con l'uso dei VFD negli AMR e in altri sistemi alimentati a batteria, utilizzando come esempio un sistema di MEAN WELL.

La definizione standard di un VFD è quella di un azionamento che utilizza le variazioni di frequenza per controllare la velocità del motore, caratteristica che lo rende utile per i motori c.a. Allo stesso tempo, un VSD varia la tensione per controllare il motore e ciò è utile sia per i motori c.a. che per quelli c.c.

Ma non è così semplice. Entrambi i tipi di azionamenti possono essere utilizzati per controllare la velocità dei motori. Di conseguenza, a volte il termine VSD si riferisce in realtà ai VFD. I VFD possono essere utilizzati con motori c.c. brushless (BLDC); in senso stretto, non si limitano ai motori c.a. I VFD sono adatti all'uso con una varietà di motori come:

  • I motori a induzione (IM) o asincroni a corrente alternata sono ampiamente utilizzati nelle applicazioni industriali perché sono autoavvianti, affidabili ed economici.
  • I motori sincroni a magneti permanenti (PMSM) sono motori c.a. ad alta efficienza e possono offrire un controllo preciso della coppia e della velocità in applicazioni ad alte prestazioni che richiedono un'elevata efficienza energetica.
  • I BLDC sono utilizzati anche in applicazioni che richiedono un'elevata efficienza e un controllo preciso e hanno in genere una lunga durata operativa.
  • I servomotori possono essere in c.a. o in c.c. e supportano risposte rapide e ad alta precisione. I VFD con algoritmi di controllo specializzati possono essere utilizzati con servomotori in robot, macchine a controllo numerico computerizzato (CNC) e applicazioni simili.
  • I motori sincroni in c.a. (SM) sono adatti per applicazioni che richiedono velocità costante e sincronizzazione precisa. Mentre i VFD possono controllare la velocità degli SM, altre opzioni di azionamento (a basso costo) possono supportare il funzionamento a velocità costante.

Gli algoritmi di controllo utilizzati con i VFD ne aumentano la versatilità. Ad esempio, esistono quattro tipi principali di algoritmi di controllo VFD solo per i motori a induzione: volt per Hertz (V/f), V/f con encoder, vettoriale ad anello aperto e vettoriale ad anello chiuso. Tutti utilizzano la modulazione della larghezza di impulso e forniscono diversi livelli di controllo di velocità e coppia.

L'importanza dei VFD in un'ampia gamma di applicazioni industriali è testimoniata dallo sviluppo della norma IEC 61800-9, incentrata sull'efficienza e sulla progettazione ecocompatibile dei VFD e dei relativi sistemi di azionamento motori.

BDM, CDM e PDS

Le sezioni della norma IEC 61800-9 relative ai VFD sono due. La Parte 1 delinea la metodologia per determinare l'indice o il riferimento di efficienza energetica di un'applicazione. La Parte 2 illustra i metodi di valutazione dell'efficienza basati su una serie di classificazioni.

Sebbene l'efficienza dei VFD, chiamati moduli di azionamento di base (BDM) nella norma IEC 61800-9, sia importante, questo non è l'obiettivo principale della norma. Lo standard è più ampio e prende in considerazione i moduli di azionamento completi (CDM) che consistono in un inverter di frequenza (il VFD), una sezione di alimentazione e dispositivi ausiliari di ingresso e uscita (come filtri e bobine di arresto) e il sistema di azionamento di potenza (PDS) che consiste nel CDM e nel motore (Figura 1).

Immagine di CDM (sezione nera) e PDS (sezione rossa) nei sistemi VFD (fare clic per ingrandire)Figura 1: Le classi di efficienza IEC 61800-9 si applicano al CDM (sezione nera) e al PDS (sezione rossa) nei sistemi VFD. (Immagine per gentile concessione di Schneider Electric)

Classi di efficienza CDM

Le classi di efficienza internazionale (IE) del CDM sono definite da IE0 a IE2. Sono determinate confrontando la perdita totale del CDM con le prestazioni di un CDM di riferimento (RCDM). Le classi IE per i CDM sono definite in relazione al punto di funzionamento 90, 100 utilizzando il 90% di frequenza dello statore del motore e il 100% di corrente di coppia per evitare la sovramodulazione e garantire la comparabilità delle misurazioni delle prestazioni dei convertitori di frequenza di produttori diversi.

Le prestazioni dell'RCDM sono definite come IE1. Un CDM con perdite inferiori al 25% rispetto a un RCDM è classificato come IE2, mentre un CDM con perdite superiori del 25% rispetto a un RCDM è classificato come IE0. L'RCDM consente inoltre di confrontare il consumo energetico con una tecnologia media CDM in otto punti di funzionamento predefiniti (0, 25), (0, 50), (0, 100), (50, 25), (50, 50), (50, 100), (90, 50) e (90, 100) (Figura 2).

Immagine dei punti di funzionamento e delle classi di efficienza del CDM secondo IEC 61800-9Figura 2: Punti di funzionamento e classi di efficienza del CDM secondo IEC 61800-9. (Immagine per gentile concessione di Siemens)

Classi di efficienza PDS

Le classi del sistema di efficienza internazionale (IES) del PDS sono simili alle classi IE del CDM e sono definite da IES0 a IES2. Si basano su un PDS di riferimento (RPDS) e riflettono l'efficienza del modulo di azionamento completo e del motore.

Far combaciare la combinazione di motore e CDM ai requisiti specifici dell'applicazione offre un maggiore potenziale di ottimizzazione dell'efficienza complessiva. L'ottimizzazione dell'efficienza si riflette in una classificazione IES più elevata. Come l'RCDM, l'RPDS consente di confrontare il consumo energetico con un PDS tecnologico medio in otto punti di funzionamento predefiniti.

Questi punti si basano su una percentuale di coppia e una percentuale di velocità e il valore IES è calcolato sulla base del 100% di coppia e del 100% di velocità, ovvero il punto di funzionamento (100, 100).

Invece di utilizzare le variazioni del 25% delle classi IE, le classi IES si basano su variazioni del 20%. Un PDS con una classe di efficienza IES2 ha perdite inferiori di oltre il 20%, mentre un PDS di classe IES0 ha perdite superiori di oltre il 20% rispetto alle prestazioni dell'RPDS definito come IES1 (Figura 3).

Immagine dei punti di funzionamento e delle classi di efficienza del PDS secondo IEC 61800-9Figura 3: Punti di funzionamento e classi di efficienza del PDS secondo IEC 61800-9. (Immagine per gentile concessione di Schneider Electric)

Esempi di VFD

I produttori di VFD non sempre dichiarano l'efficienza in base alla norma 61800-9. Questo perché la misurazione dell'efficienza più semplice che utilizza la norma IEC 61800-9 riguarda il CDM, che consiste nel VFD (convertitore di frequenza) più numerosi componenti aggiuntivi, tra cui la sezione di alimentazione e i dispositivi ausiliari di ingresso e uscita. L'uso di componenti aggiuntivi specifici è fuori dal controllo dei produttori di VFD e la norma 61800-9 non si applica direttamente ai VFD.

Alcuni produttori di VFD hanno adattato la metodologia 61800-9. Quando si dichiara la conformità a IE2, i dati vengono riportati in vari formati, tra cui grafici, tabelle e file Excel.

Ad esempio, Siemens utilizza la metodologia IEC 61800-9 per i convertitori di frequenza SINAMICS V20 e li classifica con classe di efficienza IE2 (Figura 4). Questi convertitori sono disponibili in nove taglie di telaio, da 0,16 a 40 HP. Questi convertitori sono stati ottimizzati per i sistemi di azionamento di base nelle applicazioni di produzione e di processo, come pompe, ventole, compressori e trasportatori. I numerosi componenti opzionali includono filtri di ingresso, reattori di ingresso e di uscita, resistori di frenatura e così via.

Immagine del CDM con classe di efficienza IE2 da 7,5 kW che presenta perdite inferiori del 36,1% rispetto al convertitore di riferimentoFigura 4: CDM con classe di efficienza IE2 da 7,5 kW con perdite inferiori del 36,1% rispetto al convertitore di riferimento (90% / 100%). Le percentuali indicano le perdite in relazione alla potenza nominale del convertitore di frequenza di base senza componenti opzionali. (Immagine per gentile concessione di Siemens)

Anche Delta Electronics ha adattato la metodologia 61800-9 e riporta l'efficienza IE2 dei suoi convertitori compatti serie MS300 da 1,7, 3,0, 4,2, 6,6, 9,9 e 12,2 kVA. I dati sono tabulati anziché essere presentati in un grafico. La serie MS300 comprende azionamenti da 0,2 a 22 kW (Figura 5). Questi convertitori di frequenza sono dotati di diverse funzioni integrate, tra cui una funzione di controller a logica programmabile (PLC) per la programmazione, la comunicazione MODBUS, uno slot di comunicazione che può supportare protocolli aggiuntivi e una porta USB per caricare e scaricare i dati.

Immagine della serie MS300 di Delta ElectronicsFigura 5: La serie MS300 di Delta Electronics comprende convertitori di frequenza da 0,2 a 22 kW. (Immagine per gentile concessione di Delta Electronics)

Omron riferisce che i suoi "azionamenti a velocità variabile con ingresso trifase", come i VFD serie MX2, soddisfano i requisiti di efficienza IE2. L'azienda fornisce i dati dei test in un file Excel. I convertitori di frequenza MX2 sono disponibili con potenze da 0,1 a 2,2 kW per l'ingresso monofase a 200 V, da 0,1 a 15,0 kW per l'ingresso trifase a 200 V e da 0,4 a 15,0 kW per l'ingresso trifase a 400 V. Questi azionamenti sono progettati per motori IM e PM e supportano un controllo fluido fino a velocità zero con una coppia di avviamento del 200% a 0,5 Hz.

Mentre altri produttori di VFD si concentrano sulle sezioni 1 e 2 della norma IEC 61800-9, Schneider Electric adotta un approccio più olistico e descrive come integrare i propri convertitori di frequenza con il motore appropriato per soddisfare la direttiva di progettazione ecocompatibile e la sezione 3 della norma IEC 61800-9 che delinea un approccio quantitativo alla progettazione ecocompatibile attraverso l'ecobilanciamento, comprese le normative sulle categorie di prodotto e le relative dichiarazioni ambientali.

La famiglia di inverter Altivar Machine ATV320 dell'azienda comprende VFD con grado di protezione IP20 e IP6x da 0,18 a 15 kW (da 0,25 a 20 HP) per motori sincroni, asincroni, PM e BLDC trifase in controllo ad anello aperto e include funzioni quali:

  • Coppia a bassa velocità e precisione della velocità ed elevate prestazioni dinamiche grazie al controllo vettoriale del flusso senza sensore
  • Supporto per motori ad alta frequenza
  • Funzioni integrate per la conformità agli standard di sicurezza funzionale

Che dire degli AMR?

Gli AMR utilizzano VFD, ma di tipo diverso. La serie VFD di azionamenti per motori BLDC industriali di MEAN WELL ne è un buon esempio. Sono conformi alle sezioni pertinenti della norma IEC 61800, quali i requisiti di sicurezza 61800-5-1 e i requisiti di compatibilità elettromagnetica (EMC) 61800-3. Tuttavia, questi VFD non sono convertitori di frequenza confezionati, quindi le categorie di efficienza della norma 61800-9 non si applicano.

La serie VFD comprende otto modelli con versioni di ingresso c.c. e c.a. che vanno da 150 a 750 W. Il modello VFD-350P-48 funziona con un ingresso di 48 Vc.c. per applicazioni a batteria come gli AMR e può fornire fino a 350 W e 20 A di corrente di uscita.

Questo azionamento BLCD da 350 W è fornito su una scheda di circuito da 102 x 51 mm e il design senza ventola può supportare carichi di picco del 200% per 5 secondi (Figura 6). Tutti i modelli della serie VFD comprendono solo la sezione di azionamento di potenza e richiedono una scheda di controllo esterna. MEAN WELL offre anche una scheda di controllo opzionale.

Immagine della sezione di potenza dell'azionamento VFD di MEAN WELLFigura 6: Diagramma a blocchi della sezione di potenza di un inverter (a sinistra) e della sezione di potenza pronta per l'installazione in un AMR (a destra). (Immagine per gentile concessione di MEAN WELL)

Conclusione

Per le applicazioni industriali sono disponibili diversi modelli di convertitori di frequenza a velocità variabile, compresi i controlli delle macchine e gli AMR. Possono supportare motori sia c.a. che c.c. e hanno vari livelli di conformità con le sezioni della norma IEC 61800. Inoltre, poiché le prestazioni dei singoli VFD non sono contemplati nella norma IEC 61800-9, esistono diversi approcci per la comunicazione delle prestazioni rispetto a tali standard di efficienza. Alcuni produttori di VFD si concentrano sulle sezioni 1 e 2 e riportano livelli di efficienza dei VFD come IE2. Altri, invece, si concentrano sulla sezione 3, che riguarda le considerazioni generali sulla progettazione ecocompatibile, compresi i regolamenti sulle categorie di prodotto e le relative dichiarazioni ambientali.

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Jeff Shepard

Da oltre 30 anni, Jeff scrive articoli sull'elettronica di potenza, sui componenti elettronici e altri argomenti tecnologici. Ha iniziato a parlare di elettronica di potenza come Senior Editor presso EETimes. Successivamente ha fondato Powertechniques, una rivista di progettazione per l'elettronica di potenza e poco dopo ha fondato Darnell Group, una società globale di ricerca e pubblicazione di elettronica di potenza. Tra le sue attività, Darnell Group ha pubblicato PowerPulse.net, che forniva notizie quotidiane per la community globale degli ingegneri dediti all'elettronica di potenza. È autore di un libro di testo sugli alimentatori a commutazione, intitolato "Power Supply", pubblicato dalla divisione Reston di Prentice Hall.

Jeff è anche stato co-fondatore di Jeta Power Systems, un produttore di alimentatori a commutazione ad alta potenza, acquisita poi da Computer Products. Jeff è anche un inventore: ha a suo nome 17 brevetti statunitensi nel campo della raccolta dell'energia termica e dei metamateriali ottici ed è un relatore frequente sulle tendenze globali dell'elettronica di potenza. Ha conseguito un master in metodi quantitativi e matematica presso l'Università della California.

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