Quali prodotti ausiliari sono necessari per massimizzare l'utilizzo di VFD e VSD? - Parte 1

La prima parte di questa serie di articoli analizza gli aspetti da considerare nella scelta dei cavi di collegamento per motori, dei reattori di uscita, dei resistore di frenatura, dei reattori di linea e dei filtri di linea. La seconda parte prosegue esaminando le differenze tra VSD/VFD e servoazionamenti, passando in rassegna gli utilizzi dei servomotori rotativi e lineari in c.a. e c.c., considerando l'inserimento delle unità di avvio/arresto graduale nelle attività industriali e analizzando come i convertitori c.c. sono utilizzati per alimentare periferiche come sensori, interfacce uomo-macchina (HMI) e dispositivi di sicurezza.

L'uso degli azionamenti a velocità e frequenza variabile (VSD/VFD) è necessario per massimizzare l'efficienza e la sostenibilità delle operazioni industriali, ma non è sufficiente. Per ottenere i massimi benefici dai VSD/VFD, sono necessari componenti aggiuntivi come cavi ad alte prestazioni, resistori di frenatura, filtri di linea, reattori di linea, reattori di uscita e altro ancora.

Il cablaggio è onnipresente e fondamentale. Un cavo di collegamento non adeguatamente specificato tra il VSD/VFD e il motore può inficiare le prestazioni del sistema. Altri elementi come resistori di frenatura, filtri e reattori variano da un'installazione all'altra e possono essere molto importanti per il successo dell'installazione.

Ad esempio, alcuni sistemi operano in aree in cui è necessario controllare le interferenze elettromagnetiche (EMI) e possono trarre vantaggio dall'uso di filtri di linea conformi alla norma EN 61800-3 Categoria C2. Le applicazioni che richiedono una rapida decelerazione richiedono resistori di frenatura. I reattori di linea possono migliorare il fattore di potenza e aumentare l'efficienza, mentre i reattori di uscita possono consentire l'uso di cavi più lunghi.

Questo articolo inizia con alcune considerazioni sulla scelta dei cavi di collegamento per motori e presenta le opzioni di cablaggio tipiche di LAPP e Belden. Esamina quindi i fattori che influiscono sulla scelta dei reattori di uscita, dei resistori di frenatura, dei reattori di linea e dei filtri di linea, compresi dispositivi rappresentativi di ABB, Schneider Electric, Omron, Delta Electronics, Panasonic e Siemens.

I cavi motore sono disponibili in varie configurazioni per soddisfare i requisiti di applicazioni specifiche. In genere hanno tre conduttori di potenza principali, spesso isolati con polietilene reticolato (XLPE). Alcuni hanno fili di messa a terra non isolati. Possono contenere vari fili di segnale e sono disponibili in molte scelte di schermatura a treccia e a lamina. L'intero gruppo è racchiuso in una guaina esterna resistente all'ambiente (Figura 1).

Figura 1: I cavi motore VFD sono disponibili in un'ampia gamma di configurazioni. (Immagine per gentile concessione di Belden)

Anche i cavi di base, come Basic 29521C 0105000 di Belden, sono complessi assemblaggi di conduttori, schermatura e isolamento. Questi cavi hanno tre conduttori in rame da 14 AWG (7x22 fili) ricoperti da isolamento XLPE e tre fili di messa a terra in rame non isolati da 18 AWG (7x26 fili). I sei fili sono circondati da una doppia schermatura a nastro elicoidale che garantisce una copertura del 100% e l'intero cavo assemblato è rivestito da una guaina in polivinilcloruro (PVC) per la protezione dall'ambiente.

I cavi Basic di Belden sono adatti all'uso in aree pericolose di Classe 1 Divisione 2, come definito dal National Electrical Code (NEC). La Classe 1 si riferisce alle strutture per la manipolazione di gas, vapori e liquidi infiammabili. La Divisione 2 specifica che questi materiali infiammabili non sono normalmente presenti in concentrazioni sufficientemente elevate da essere infiammabili.

Alcune serie di cavi, come ÖLFLEX VFD 1XL di LAPP , sono disponibili con o senza fili di segnale. Le applicazioni che necessitano della presenza di fili di segnale possono optare per il cavo 701710 di LAPP. Questo comprende tre conduttori di alimentazione, un conduttore di terra e una coppia di fili di segnale. I conduttori di alimentazione sono da 16 AWG (26x30) con isolamento XLPE (plus). Le coppie di segnali sono schermate singolarmente.

L'intero gruppo è schermato con nastro di barriera, nastro in lamina a triplo strato (copertura del 100%) e treccia di rame stagnato (copertura dell'85%). Il rivestimento esterno è costituito da un elastomero termoplastico (TPE) appositamente formulato, resistente alle soluzioni disinfettanti e tipicamente utilizzato nei settori della trasformazione alimentare, chimica e affini.

Oltre a gestire in modo affidabile ed efficiente l'alimentazione e i segnali, i cavi dei VFD devono essere in grado di gestire picchi di tensione elevati e livelli di rumore indotti dall'interferenza elettromagnetica (EMI) derivanti dal funzionamento ad alta frequenza dell'azionamento. I cavi dei VFD sono progettati per contenere e gestire i picchi transitori di alta tensione e le EMI, ma hanno i loro limiti (Figura 2). In questo caso i reattori di carico riducono i picchi transitori di alta tensione e le EMI.

Figura 2: I picchi transitori di alta tensione non controllati possono perforare l'isolamento e causare il guasto del cavo. (Immagine per gentile concessione di LAPP)

Per una discussione più dettagliata sulla selezione dei cavi VFD, vedere "Specificare e utilizzare i cavi VFD per migliorare l'affidabilità e la sicurezza e ridurre le emissioni di biossido di carbonio".

Reattori di carico

I reattori di carico, detti anche reattori di uscita, sono collegati in prossimità dell'uscita dell'azionamento per ridurre l'impatto dei picchi transitori di alta tensione e delle EMI e proteggono l'isolamento dei fili del cavo e del motore. I VSD/VFD producono un'uscita ad alta frequenza (solitamente tra 16 e 20 kHz). La commutazione ad alta frequenza comporta tempi di aumento della tensione di pochi microsecondi, causando picchi transitori di alta tensione che possono superare il picco di tensione nominale del motore, con conseguente rottura dell'isolamento.

A seconda del tipo di motore utilizzato, i reattori di carico sono spesso consigliati se la lunghezza del cavo VFD supera i 30 m. Esistono delle eccezioni; ad esempio, se il motore è conforme allo standard NEMA MG-1 Parte 31, è possibile avere un cavo di 90 m senza utilizzare un reattore di carico.

Indipendentemente dal tipo di motore, in genere si raccomanda un reattore di carico se la lunghezza del cavo è superiore a 90 m. Se la distanza supera i 150 m, di solito si consiglia un filtro appositamente progettato. Negli ambienti sensibili alle EMI, solitamente è una buona idea utilizzare un reattore di carico per tutte le applicazioni.

I reattori di carico sono spesso progettati per l'uso con modelli specifici di inverter. Ad esempio, il reattore di carico 3G3AX-RAO04600110-DE di Omron ha una potenza nominale di 11 A e 4,6 mH ed è progettato per l'uso con motori trifase da 400 V e 5,5 kW azionati dal VFD 3G3MX2-A4040-V1 dell'azienda.

Resistori di frenatura e sovraccarichi termici

Oltre a un reattore di carico, si possono aggiungere un resistore di frenatura e un dispositivo di messa fuori servizio per sovraccarico termico al lato di uscita di un VSD/VFD. I resistori di frenatura consentono di ottenere la massima coppia frenante transitoria assorbendo l'energia della frenata. La maggior parte dei resistori di frenatura dissipa l'energia, mentre alcuni sono utilizzati come parte di un sistema di frenatura a recupero che cattura e ricicla l'energia.

I resistori di frenatura dissipativi sono classificati per applicazioni specifiche. Il resistore di frenatura VW3A7755 da 8 Ω di Schneider Electric può dissipare fino a 25 kW, mentre il modello BR300W100 da 100 Ω di Delta Electronics ha una potenza nominale di 300 W.

Le applicazioni dei resistori di frenatura sono definite in base alla percentuale di energia dissipata (ED%). L'ED% definita garantisce che il resistore possa dissipare efficacemente il calore generato durante la frenata. L'ED% è definita in relazione al picco di dissipazione, all'intervallo di frenata (T1) e al tempo di ciclo complessivo (T0) nella Figura 3.

Figura 3: Definizione della percentuale di energia dissipata (ED%). (Immagine per gentile concessione di Delta Electronics)

A seconda della gravità della frenata, l'ED% è specificata per garantire un tempo adeguato al gruppo frenante e al resistore di frenatura per dissipare il calore generato dalla frenata. Se il resistore di frenatura si surriscalda a causa di una dissipazione termica inadeguata, la sua resistenza aumenta, riducendo il flusso di corrente e la coppia frenante assorbita.

I resistori di frenata possono essere definiti da vari cicli di dissipazione come:

• Frenata leggera, in cui la potenza di frenata è limitata a 1,5 volte la coppia nominale (Tn) per 0,8 s ogni 40 s. Utilizzato con macchine con inerzia limitata, come le macchine per lo stampaggio a iniezione
• Frenata media, in cui la potenza di frenata è limitata a 1,35 Tn per 4 s ogni 40 s. Utilizzato con macchine ad alta inerzia, come le presse a volano e le centrifughe industriali
• Frenata severa in cui la potenza di frenata è limitata a 1,65 Tn per 6 s e Tn per 54 s ogni 120 s. Utilizzato con macchine ad inerzia molto elevata, spesso accompagnate da movimenti verticali, come paranchi e gru

Oltre al resistore di frenatura, la maggior parte dei sistemi include come precauzione di sicurezza un'unità di sovraccarico termico collegata al resistore di frenatura, come il relè termico TF65-33 di ABB Control. L'unità di sovraccarico termico protegge il resistore e il sistema di azionamento da frenate troppo frequenti o troppo forti. Quando viene rilevato un sovraccarico termico, l'azionamento si spegne. La disattivazione della sola funzione di frenatura potrebbe causare gravi danni all'azionamento.

Protezione dell'ingresso di comando

I reattori di linea e i filtri all'ingresso dell'inverter limitano rispettivamente le armoniche a bassa frequenza e le EMI ad alta frequenza (Figura 4). I reattori di linea contribuiscono a ridurre la distorsione armonica dell'alimentazione di ingresso c.a. causata dai circuiti di azionamento. Possono essere particolarmente utili nelle applicazioni che devono soddisfare i requisiti di IEEE-519, "Controllo delle armoniche nei sistemi di alimentazione". I reattori di linea attenuano anche i disturbi della rete elettrica, come sovratensioni, picchi e transitori, aumentando l'affidabilità operativa e prevenendo gli arresti per sovratensione.

Figura 4: I filtri di linea limitano l'EMC ad alta frequenza, mentre i reattori di linea limitano le armoniche a bassa frequenza. (Immagine per gentile concessione di Siemens)

Esempi di reattori di linea sono l'induttore DV0P228 da 2 mH con corrente nominale di 8 A che fa parte della famiglia Minas di azionamenti trifase e accessori di Panasonic e l'induttore 6SL32030CE132AA0 da 2,5 mH di Siemens per azionamenti fino a 1,1 kW che assorbono fino a 4 A di corrente in ingresso e funzionano con potenza trifase da 380 V_c.a. -10% a 480 V_c.a. +10%.

Filtri di linea

I filtri di linea sono necessari per supportare la compatibilità elettromagnetica (EMC) e fornire protezione EMI alla maggior parte delle applicazioni. A seconda dell'ambiente specifico, negli ambienti industriali e commerciali (edifici) vengono utilizzate due classificazioni di filtri EMI, rispettivamente Classe A e Classe B. La Classe B richiede un livello di filtraggio più elevato rispetto alla Classe A perché gli ambienti commerciali (uffici, amministrazione, ecc.) includono generalmente sistemi elettronici più sensibili alle EMI.

Gli standard EMC pertinenti comprendono la norma EN 55011, che descrive i limiti di emissione per le apparecchiature industriali, scientifiche e mediche, e la norma IEC/EN 61800-3, che riguarda specificamente gli azionamenti a velocità regolabile.

I VFD/VSD sono disponibili con o senza filtri di linea integrati. Se hanno un filtro, questo può essere di Classe A o di Classe B. A seconda dell'ambiente e dei fattori di installazione, come la lunghezza dei cavi, anche un azionamento con filtro integrato può richiedere filtraggio aggiuntivo. Un azionamento classificato per il funzionamento in ambienti di Classe A può essere utilizzato anche in ambienti di Classe B con l'aggiunta di un filtro opzionale.

La norma IEC/EN 61800-3 definisce i requisiti EMC in base agli ambienti e alle categorie. Gli edifici residenziali sono definiti "primo ambiente", mentre gli impianti industriali collegati alla rete di distribuzione a media tensione attraverso i loro trasformatori sono detti "secondo ambiente".

Le quattro categorie definite nella norma EN 61800-3 comprendono:

• C1 per sistemi di azionamento per tensioni nominali <1000 V per uso illimitato nel primo ambiente
• C2 per sistemi di azionamento stazionari per tensioni nominali <1000 V per l'uso nel secondo ambiente e l'eventuale uso nel primo ambiente
• C3 per sistemi di azionamento per tensioni nominali <1000 V per uso esclusivo nel secondo ambiente
• Requisiti speciali C4 per sistemi di azionamento per tensioni nominali ≥1000 V e correnti nominali ≥400 A nel secondo ambiente

Sono disponibili filtri di linea generici, ma come nel caso dei reattori di linea, i filtri di linea sono spesso progettati per l'uso con specifiche famiglie di azionamenti. Ad esempio, il filtro di linea VW3A4708 di Schneider Electric ha una potenza nominale di 200 A (Figura 5). È progettato per i VSD Altivar e i servocomandi Lexium dell'azienda. È classificato per tensioni di rete da 200 V_c.a. a 480 V_c.a. e ha un indice di protezione IP20. La classificazione EN 61800-3 dipende dalla lunghezza del cavo del motore:

• Categoria C1 utilizza fino a 50 m di cavo schermato
• Categoria C2 utilizza fino a 150 m di cavo schermato
• Categoria C3 utilizza fino a 300 m di cavo schermato

Figura 5: Filtro di linea da 200 A per tensioni di rete da 200 V_c.a. a 480 V_c.a.. (Immagine per gentile concessione di Schneider Electric)

Conclusione

I VSD e i VFD sono sistemi importanti per massimizzare l'efficienza delle operazioni industriali e ridurre al minimo le emissioni di gas serra. Questi azionamenti richiedono diversi componenti ausiliari per garantire installazioni efficaci e affidabili conformi agli standard internazionali, tra cui cavi VFD, reattori di uscita, resistori di frenatura, reattori di linea e filtri di linea.