Avviamento del motore

Avviamento del motore
Caratteristiche per l’applicazione pratica:
Avviamento del motore
Motor
Management
TM
Premessa
Il presente manuale tecnico «Avviamento del motore» rappresenta un’ulteriore
pubblicazione sul tema «Sistema di controllo e protezione del motore (Motor
Management)».
Con questa pubblicazione si rende disponibile per l’utente un manuale sempre più vasto
per la consultazione sulle prestazioni e sui dati operativi per la progettazione e l’utilizzo.
Gli argomenti trattati sono:
• Protezione del motore e della macchina
• Scelta e uso delle apparecchiature elettriche di comando
• Comunicazione
Sono già stati pubblicati i seguenti manuali tecnici:
• «Motori asincroni trifasi», informazioni sulla costruzione, tipi di funzionamento,
scelta e dimensionamento dei motori
• «Caratteristiche degli interruttori magnetotermici di potenza», indicazioni
integrative per la gestione pratica degli interruttori magnetotermici di potenza.
Attualmente i motori elettrici fanno parte di tutti i processi di produzione.
L’utilizzo ottimale delle macchine aumenta di significato sotto il profilo economico. Il
«Sistema di controllo e protezione del motore» della Rockwell Automation può essere
di aiuto:
• nell’utilizzare meglio gli impianti
• nel ridurre i costi di gestione
• nell’aumentare la sicurezza di funzionamento
Saremo lieti se le nostre pubblicazioni potranno aiutarvi a trovare soluzioni economiche
ed efficienti per le vostre applicazioni.
Copyright © 1997 by Rockwell Automation AG
Tutte le indicazioni si basano sullo stato attuale della tecnologia, senza vincoli legali.
i
Avviamento motore
Indice
1
Avviamento motore tradizionale
1.1
1.1.1
1.1.2
1.1.2.1
1.1.2.2
1.1.3
Avviamento stella-triangolo
Avviamento stella-triangolo normale
Avviamento stella-triangolo pesante
Avviamento stella-triangolo misto
Avviamento stella-triangolo ad avvolgimento parziale
Avviamento stella-triangolo continuo
1.1
1.1
1.5
1.5
1.6
1.6
1.2
1.3
1.3.1
1.3.2
Avviamento con autotrasformatore
Avviamento statorico con induttanze e resistenze
Avviamento statorico con induttanze
Avviamento statorico con resistenze
1.8
1.9
1.9
1.10
1.4
Motori a doppia polarità
1.11
2
Avviatori statici
2.1
2.1
2.2
2.2.1
2.2.2
Considerazioni generali
Realizzazione dell’avviamento statico
Riduzione della coppia del motore
Modifica della tensione del motore
2.1
2.2
2.3
2.3
2.3
2.3.1
2.3.2
2.3.3
Tipi di avviamento
Avviamento con rampa di tensione
Avviamento con limitazione di corrente
Coppie
2.4
2.4
2.5
2.5
2.4
2.4.1
2.4.2
2.4.3
Tipi di avviatori statici
Avviatore statico monofase regolato ad onda piena
Avviatore statico trifase regolato a semionda
Avviatore statico trifase regolato ad onda piena
2.5
2.6
2.7
2.8
2.5
2.6
2.7
2.7.1
2.7.2
Carico termico durante l’avviamento
Vantaggi degli avviatori statici
Vantaggi per gli utilizzatori
Parte meccanica
Parte elettrica
ii
1.1
2.8
2.9
2.9
2.9
2.10
Avviamento motore
2.8
2.9
2.9.1
2.10
2.11
2.11
2.9.3
2.9.4
2.9.5
2.9.6
2.9.7
Possibilità di impiego
Avviamento pompe centrifughe
Caratteristica della corrente e della coppia in un
avviamento stella-triangolo
Caratteristica della velocità per avviamenti statici con
controllo pompa
Curve caratteristiche della coppia
Curve del flusso durante l’avviamento
Curve del flusso in fase di arresto
Requisiti di un avviatore statico per controllo pompe
Campi di applicazione
2.10
Opzioni
2.14
3
Convertitori di frequenza
3.1
3.1
3.2
3.2.1
3.2.1.1
3.2.2
3.2.3
3.2.3.1
Considerazioni generali
Struttura
Raddrizzatori principali
Diagramma di principio della tensione continua raddrizzata
Circuito intermedio
Invertitori
Diagramma di principio con modulazione dell’ampiezza d’impulso
3.1
3.1
3.2
3.2
3.3
3.3
3.4
3.3
3.3.1
3.3.2
3.3.3
3.3.4
3.3.5
3.3.6
3.3.7
Comportamento operativo
Rapporto frequenza-tensione
Aumento di tensione o boost
Compensazione dello scorrimento
Valore impostato
Compensazione
Protezione del motore
Cambio del senso di rotazione e frenatura
3.4
3.4
3.5
3.6
3.6
3.6
3.7
3.7
3.4
3.5
3.5.1
3.5.2
3.5.3
Vantaggi dei convertitori di frequenza
Interferenze da radiofrequenza
Considerazioni generali
Norme
Provvedimenti
3.8
3.8
3.8
3.9
3.10
4
Confronto tra i vari metodi di avviamento
4.1
2.9.2
iii
2.12
2.12
2.13
2.13
2.14
2.14
Avviamento motore
Avviamento dei motori elettrici
I motori a gabbia di scoiattolo, grazie alla loro semplicità, robustezza e convenienza
economica, sono i motori industriali maggiormente usati. Sviluppano, in fase
d’avviamento diretto, correnti di spunto fino a 8 volte il valore della corrente nominale
e, in questo modo, si ottengono coppie di avviamento molto elevate.
Le correnti di spunto elevate causano spesso, abbassamenti di corrente sulla linea di
distribuzione e di conseguenza provocano fastidiose interruzioni sulle utenze in rete,
inoltre la coppia d’avviamento elevata provoca sollecitazioni meccaniche su tutti gli
elementi della macchina. Per questo motivo, le società fornitrici di energia elettrica
stabiliscono valori limite per le correnti di spunto dei motori in rapporto alla corrente
nominale di funzionamento. I valori ammessi variano a secondo della rete di
distribuzione, e in funzione della potenza installata. Con particolare attenzione alla
meccanica, sono auspicabili metodi in grado di ridurre la coppia d’avviamento.
Allo scopo di ridurre la corrente e la coppia, possono essere usati diversi metodi di
avviamento:
• Avviamento stella-triangolo
• Avviamento con autotrasformatore
• Avviamento statorico con resistenze
• Avviamento per motori a doppia polarità
• Avviamento con elettronica di potenza
• Avviamento tramite convertitori di frequenza
In seguito saranno discussi ulteriormente i principali metodi d’avviamento usati nella
pratica.
1
Avviamento motore tradizionale
1.1
Avviamento stella-triangolo
Si distinguono:
• Avviamento stella-triangolo normale
• Avviamento stella-triangolo rinforzato
• Avviamento stella-triangolo con commutazione senza interruzione (transizione
chiusa)
1.1.1
Avviamento stella-triangolo normale
All’avviamento, gli avvolgimenti del motore sono collegati alla rete d’alimentazione a
stella, quindi risultano essere in serie alla
_ linea d’alimentazione. La tensione applicata si
riduce, di conseguenza, del fattore 1/√3=0,58 corrispondente alla tensione stellata. La
coppia d’avviamento, è di circa il 30% del valore di collegamento a triangolo. La
corrente di spunto viene ridotta di un terzo rispetto alla corrente di spunto
dell’avviamento diretto, vale a dire da 2...2,5 Ie.
A causa della coppia ridotta allo spunto, il collegamento stella-triangolo è adatto per
macchine con grande massa d’inerzia, ma con una coppia resistente bassa o che
aumenta solo con l’aumento della velocità. E’ preferibilmente usato per applicazioni
dove il motore viene caricato solo dopo l’aumento di velocità. Esempi di applicazione
sono presse, centrifughe, pompe, ventilatori ecc.
1.1
Avviamento motore
M
MN
7
I
Ie
3
6
I∆
5
2
4
M∆
3
IA
2
1
IY
MY
1
ML
0,25
0,5
0,75
1
n
ns
Curve caratteristiche della corrente e della coppia nell’avviamento stella-triangolo
I
Corrente del motore
Ie Corrente nominale del motore
MD Coppia del motore con
collegamento a triangolo
ME Coppia del motore con
funzionamento nominale
L1
L2
ILY = 1 ILD
3
Ue
n
ns
ML
IY
ID
IA
Velocità nominale
Velocità sincrona
Coppia resistente
Corrente con collegamento a stella
Corrente con collegamento a triangolo
Andamento della corrente nell’avviamento
stella-triangolo
L1
L3
L2
V1
L3
Ue
ILD
Ue
3
V1
W2
V2
U2
U1
ZW
W2
V2
W1
IWU
Collegamento a stella
W1
IWV
IWU
U1
U2
Collegamento a triangolo
Il comportamento della corrente nel collegamento stella-triangolo.
ILY Corrente d’alimentazione nel collegamento a
stella
ILD Corrente d’alimentazione nel collegamento a
triangolo
IW Corrente nell’avvolgimento
Ue Tensione di rete concatenata
ZW Impedenza dell’avvolgimento
1.2
ILY = IWU =
U_e
√3 ZW
IL1D = IWU + IWV
_
Ue _
ILD = IW √3 =
√3 = 3 ILY
ZW
1
ILY =
ILD
3
Avviamento motore
Dopo che il motore ha raggiunto la velocità, di solito un temporizzatore commuta il
passaggio dal collegamento a stella a quello a triangolo. L’avviamento nel collegamento
a stella deve durare fino a quando il motore raggiunge, approssimativamente, il numero
di giri nominali in modo che nella commutazione a triangolo la corrente subisca il minor
picco possibile. La post-accelerazione nel collegamento a triangolo è legata, come
nell’avviamento diretto, a correnti di picco molto elevate. La durata temporanea
nell’avviamento con collegamento a stella dipende dal carico del motore. Nel
collegamento a triangolo l’intera tensione di rete è applicata agli avvolgimenti del
motore.
Nei motori con avviamento stella-triangolo, le 6 estremità degli avvolgimenti vengono
portati sulla morsettiera del motore. I contattori per l’avviamento stella-triangolo
commutano gli avvolgimenti in maniera conforme.
Avviamento stella-triangolo per mezzo di contattori.
Con l’avviamento a stella, il contattore principale chiude la rete alle estremità degli
avvolgimenti U1, V1, W1. Le estremità degli avvolgimenti U2, V2, W2 vengono chiusi
a stella dal relativo contattore. La commutazione a triangolo avviene ad una velocità
vicina alla velocità di regime, il contattore di stella si disinserisce ed il contattore di
triangolo collega i morsetti U1/V2, V1/W2, W1/U2.
Nell’avviamento stella-triangolo, bisogna prestare attenzione alla corretta sequenza
delle fasi, in pratica è necessario che sia rispettato il corretto collegamento dei
conduttori al motore e all’avviatore. In caso di una sequenza di fase sbagliata può
verificarsi un picco di corrente molto elevato a causa della lieve diminuzione della
velocità durante l’intervallo della commutazione dalla stella al triangolo. Questi picchi
di corrente molto alti possono danneggiare gli avvolgimenti del motore e sollecitare
inutilmente le apparecchiature elettriche. Allo stesso tempo, è necessario prestare
attenzione al senso di rotazione del motore.
1.3
Avviamento motore
Collegamento corretto del motore
Tra l’apertura del contattore di stella e la chiusura del contattore di triangolo, deve
esistere una pausa sufficiente perché si estingua l’arco voltaico nel contattore di stella
prima che si chiuda il contattore di triangolo. In caso di commutazione troppo rapida, si
può verificare un cto.cto. sull’arco voltaico di spegnimento. Tuttavia, la pausa di
commutazione deve essere abbastanza lunga per l’estinzione dell’arco, in modo che il
numero di giri diminuisca il meno possibile. A tal scopo esistono speciali temporizzatori
per la commutazione dell’avviamento stella-triangolo.
Protezione del motore e dimensionamento dei contattori
Il relè per la protezione del motore viene collegato sulla sezione dell’avvolgimento a
valle
_ del contattore principale. Quindi, la corrente da regolare, corrisponde al fattore
1/√3=0,58 rispetto alla corrente nominale del motore. A causa della terza armonica le
correnti in circolazione negli avvolgimenti del motore, possono richiedere una
regolazione più alta del relè per la protezione del motore. Questo può avvenire solo
sulla base di un controllo con uno strumento in grado di misurare l’esatto valore
efficace. Le sezioni trasversali dei conduttori verso il motore e la linea d’alimentazione
devono essere dimensionate secondo la corrente di regolazione del relè per la protezione
del motore.
Per la protezione del motore con interruttori magnetotermici di potenza con
caratteristiche per la protezione del motore, l’interruttore magnetotermico di potenza
viene collegato sulla linea d’alimentazione, in modo che assuma anche la protezione di
corto circuito dell’avviatore e della linea. In questo caso, la regolazione della corrente
avviene sulla corrente nominale del motore. Una correzione del valore di regolazione a
causa della terza armonica è irrilevante in queste condizioni. La linea deve essere
dimensionata sulla corrente termica, secondo la regolazione dell’interruttore
magnetotermico di potenza.
I componenti elettrici per l’avviamento stella-triangolo normale devono essere
dimensionati secondo le seguenti correnti:
•
•
•
Contattore principale
Contattore di triangolo
Contattore di stella
K1M
K2M
K3M
0,58 Ie
0,58 Ie
0,34 Ie
Per i tempi d’avviamento più lunghi di circa 15 secondi, il contattore a stella deve essere
più grande. Se il contattore a stella è uguale a quello principale, sono ammessi tempi
d’avviamento fino a 1 minuto circa.
1.4
Avviamento motore
1.1.2
Avviamento stella-triangolo rafforzato
Quando nell’avviamento stella-triangolo la commutazione da stella a triangolo si
effettua ad una velocità troppo bassa del motore e perché la coppia resistente è superiore
alla coppia motore disponibile. L’aumento di quest’ultima può essere realizzato grazie
ad un avviamento stella-triangolo rinforzato. Questo miglioramento della coppia motore
è purtroppo accompagnato da una corrente d’avviamento molto elevata.
Si fa la seguente distinzione:
• Avviamento stella-triangolo misto
• Avviamento stella-triangolo ad avvolgimento parziale
Per entrambi i tipi sono necessari motori con corrispondenti avvolgimenti in
derivazioni.
Con l’avviamento stella-triangolo del motore, il dimensionamento dei contattori, della
protezione motore e della sezione dei conduttori valgono le stesse regole vigenti per
l’avviamento stella-triangolo normale.
1.1.2.1 Avviamento stella-triangolo misto
In questo caso, gli avvolgimenti del motore sono per lo più divisi in due parti uguali, di
cui una è collegata a triangolo e l’altra, collocata a monte, a stella al momento
dell’avviamento, da qui la definizione “misto”. Poiché la corrente di inserzione a stella è
di circa 2...4 Ie la coppia di avviamento subisce un corrispondente aumento non
trascurabile.
L1
L2
L3
H
D
V1
V3
V3
V2
Y
Y
D
H
U1
U3 U3
Y
U2
W2
W3
W3
W1
H
D
Avviamento stella-triangolo misto
Dimensionamento dei componenti elettrici:
•
•
•
1.5
Contattore principale
Contattore di triangolo
Contattore di stella
K1M
K2M
K3M
0,58 Ie
0,58 Ie
0,34 Ie
Avviamento motore
1.1.2.2 Avviamento stella-triangolo con avvolgimento parziale
Anche in questo caso gli avvolgimenti del motore sono divisi. Nel collegamento a stella
viene utilizzato solo l’avvolgimento principale, ovvero una parte dell’intero
avvolgimento. Da qui la definizione “ad avvolgimento parziale”. La corrente di
inserzione a stella è, a seconda della presa di derivazione, 2...4 Ie; ne deriva anche qui
una maggiore coppia d’avviamento.
L1
L2
L3
H
D
V1
W2
V3
V2
Y
D
U1
H
W3
Y
V3
Y
W3
U3
W1
H
U3
U2
D
Avviamento stella-triangolo ad avvolgimento parziale
Dimensionamento dei componenti elettrici:
•
•
•
Contattore principale
Contattore di triangolo
Contattore di stella
1.1.3
K1M
K2M
K3M
0,58 Ie
0,58 Ie
0,5 - 0,58 Ie (secondo la corrente di
avviamento)
Avviamento stella-triangolo senza interruzione
Con questo metodo si evita la diminuzione della velocità del motore durante la
commutazione dalla stella al triangolo e di mantenere la punta di corrente ad un valore
relativamente basso.
Questo sistema è caratterizzato da un quarto contattore detto di transizione K4M che si
chiude prima dell’apertura del contattore di stella. Il suo ruolo è di collegare il circuito
del motore a triangolo tramite resistenze per ottenere l’interruzione della corrente
durante la commutazione vera e propria. La velocità del motore resta dunque
praticamente costante. Lo stato definitivo del collegamento viene stabilito dal contattore
di triangolo K2M che interrompe l’alimentazione del contattore K4M.
1.6
Avviamento motore
H+Y
A
H+Y+T
B
H+T
C
H+D
D
Avviamento stella-triangolo senza interruzione
Dimensionamento dei componenti elettrici:
•
•
•
•
Contattore principale
Contattore di triangolo
Contattore di stella
Contattore di transizione
•
Resistenze di transizione
K1M
K2M
K3M
K4M
0,58 Ie
0,58 Ie
0,58 Ie
typ. 0,27 Ie (secondo la corrente di
transizione)
typ. 0,35 à 0,4 Ue/Ie
A differenza di come avviene nel normale collegamento stella-triangolo, il contattore di
stella deve essere dimensionato in modo uguale al contattore principale e al contattore
di triangolo, in quanto deve interrompere sia la corrente di stella del motore, sia la
corrente delle resistenze di transizione. Nelle resistenze circola una corrente di circa
1,5 Ie. Per questo motivo, è necessario un potere di rottura più elevato.
Per l’avviamento stella-triangolo continuo il dimensionamento della protezione motore
e la sezione dei conduttori (comando diversificato a seconda del controllo del contattore
di transizione), va fatta con le stesse regole vigenti per l’avviamento stella-triangolo
normale.
1.7
Avviamento motore
1.2
Avviamento con autotrasformatore
Un avviatore con autotrasformatore permette l’avviamento di motori a gabbia di
scoiattolo riducendo la corrente, riduzione causata da una diminuzione della tensione
durante la fase d’avviamento. Contrariamente all’avviamento stella-triangolo, sono
necessari solo tre conduttori che alimentano il motore. Questo metodo d’avviamento è
particolarmente usato nei paesi di lingua inglese.
All’avviamento, il motore è alimentato dall’autotrasformatore. In queste condizioni
l’avviamento del motore avviene con tensione ridotta e, di conseguenza, con minor
corrente. L’autotrasformatore riduce l’assorbimento di corrente dalla linea principale in
proporzione al suo rapporto di trasformazione. Come per l’avviamento stella-triangolo,
l’avviatore con autotrasformatore dispone di un rapporto favorevole tra la coppia e
l’assorbimento di corrente.
Per adattare la caratteristica della coppia all’avviamento del motore, gli
autotrasformatori hanno di solito tre uscite di tensione selezionabili (ad es. 80%, 65%,
50%).
Nel momento in cui il motore sta per raggiungere la coppia nominale, il collegamento a
stella sull’autotrasformatore viene aperto. Da questo momento la parzializzazione degli
avvolgimenti dell’autotrasformatore funzionano da induttanze in serie sugli
avvolgimenti del motore e per questo motivo il numero di giri del motore, come
nell’avviamento stella-triangolo continuo, non diminuisce durante la commutazione.
Con la chiusura del contattore principale, gli avvolgimenti del motore vengono collegati
direttamente alla tensione di linea. La chiusura del contattore principale infine, provoca
l’apertura del contattore dell’autotrasformatore.
La corrente d’avviamento del motore che è proporzionale al rapporto di trasformazione
dell’autotrasformatore dipende dalla tensione d’uscita che si è utilizzata, è può essere
circa da 1 – 5 x Ie. La coppia disponibile si riduce in proporzione alla corrente
d’avviamento.
Avviatore con autotrasformatore con commutazione senza interruzione.
(Collegamento Korndörf)
1.8
Avviamento motore
1.3
Avviamento statorico con induttanze e resistenze
La tensione d’alimentazione del motore viene ridotta attraverso induttanze e resistenze
addizionali, che servono a ridurre anche la corrente d’avviamento. La coppia
d’avviamento si riduce col quadrato della corrente ridotta.
1.3.1.
Avviamento statorico con induttanze
Un motore quando è fermo ha un’impedenza bassa. Una grossa percentuale della
tensione di linea è ridotta dalle induttanze addizionali. La coppia di avviamento del
motore è dunque fortemente ridotta. Aumentando la velocità del motore, aumenta anche
la tensione del motore, tale aumento è dovuto ad una riduzione della corrente assorbita e
dalla separazione vettoriale esistente fra la tensione del motore e la reattanza
addizionale. In questo modo, aumenta anche la coppia del motore. Raggiunta la velocità
di regime, le induttanze vengono escluse.
La corrente d’avviamento si riduce a secondo della coppia d’avviamento necessaria.
Avviamento statorico con induttanze
1.9
Avviamento motore
1.3.2.
Avviamento statorico con resistenze
In questo caso vengono installate resistenze economicamente più convenienti al posto
delle induttanze sopra descritte.
Con questo metodo, la riduzione possibile della corrente d’avviamento è poco rilevabile
perché la coppia del motore diminuisce proporzionalmente al quadrato della tensione.
La tensione del motore non aumenta proporzionalmente alla velocità e riduce la corrente
assorbita.
Ancor meglio sarebbe ridurre progressivamente la resistenza addizionale durante
l’avviamento per permettere la riduzione della tensione sulla resistenza ed aumentarla ai
morsetti del motore.
Un’altra possibilità sono le resistenze (elettrolitiche) incapsulate; con esse, la resistenza
ohmica diminuisce con l’aumento della temperatura dovuto all’effetto del calore
generato dalla corrente d’avviamento.
Avviamento statorico con resistenze
1.10
Avviamento motore
1.4
Motori a doppia polarità
Nei motori asincroni, la velocità è determinata dal numero dei poli.
2 poli
4 poli
6 poli
8 poli
ecc.
=
=
=
=
3000 g/min
1500 g/min
1000 g/min
750 g/min
(velocità sincrona)
Motori con due o più velocità possono essere costruiti grazie alla realizzazione e ad una
commutazione adeguata di avvolgimenti separati realizzati all’interno dello stesso
motore. Particolarmente conveniente è il collegamento Dahlander, che permette di
ottenere due velocità in un rapporto 1:2 con un solo avvolgimento.
I motori a doppia polarità possono essere utilizzati in qualunque campo d’applicazione,
in tutte le condizioni normali di funzionamento e utilizzando la doppia velocità, possono
essere applicati, per esempio, per comandare dei ventilatori e modificarne la velocità.
Questo è il principale campo d’applicazione.
A seconda della struttura e del collegamento degli avvolgimenti, vi sono motori che
offrono le stesse prestazioni e la stessa coppia alle diverse velocità. Per velocità
inferiori, la stessa coppia produce correnti minori, il che rende più gestibili gli
avviamenti con un più alto rendimento della coppia e con corrente assorbita inferiore.
Motore a doppia polarità
1.11
Avviamento motore
2
Avviatori statici
2.1
Considerazioni generali
Durante l’avviamento di un motore a causa dello spunto si verificano grossi
assorbimenti di corrente, che in funzione della potenza installata, possono causare
cadute di tensione sull’intera rete d’alimentazione creando problemi ad altre utenze
collegate sulla stessa distribuzione come:
•
•
•
Variazione dell’intensità luminosa degli apparecchi d’illuminazione
Interferenze con i sistemi computerizzati
Contattori e relè che si diseccitano
In fase d’avviamento le parti meccaniche di una macchina o di un impianto vengono
fortemente sollecitate da improvvisi aumenti della coppia.
Le soluzioni tradizionali sono:
•
•
•
Avviamento stella-triangolo
Avviamento con autotrasformatore
Avviamento statorico con induttanze o resistenze
con queste soluzioni la tensione e, quindi, la corrente ai morsetti del motore può essere
applicata solo gradualmente.
L’avviatore statico controlla la tensione, in modo continuo, parzializzandola dalla fase
iniziale fino al cento per cento. In questo modo, la coppia e la corrente aumentano
entrambe in modo continuo. L’avviatore statico permette, dunque, un avviamento
graduale del motore sotto carico, a partire dallo stato di fermo.
2.1
Avviamento motore
2.2
Realizzazione dell’avviatore di potenza
Curve caratteristiche del motore
Con l’aiuto delle curve caratteristiche della coppia del motore, è possibile spiegare
come si può ottenere un avviamento lento del motore.
Se si confronta la curva caratteristica del carico con la curva caratteristica del motore, si
può vedere che la curva della coppia del motore si trova sempre al di sopra della curva
della coppia di carico fino a quando entrambi non si incontrano.
In questo punto di lavoro si raggiunge la coppia nominale col carico nominale.
La differenza tra la curva della coppia del carico e la curva della coppia del motore è la
cosiddetta coppia d’accelerazione (MB). Questa coppia genera l’energia necessaria per
far girare il motore e raggiungere la velocità di regime.
Il rapporto tra queste due curve controlla l’avviamento del motore ed il tempo
d’accelerazione. Se la coppia del motore è superiore alla coppia del carico, in questo
modo l’energia d’accelerazione è alta e ne risulta un corrispondente tempo
d’accelerazione breve. Se la coppia del motore è di poco superiore alla coppia di carico
richiesta, ne risulta un’energia di accelerazione bassa e, quindi, aumenta il
corrispondente tempo d’accelerazione.
Questo avviamento di potenza è realizzato riducendo la coppia d’accelerazione.
2.2
Avviamento motore
2.2.1
Riduzione della coppia del motore
Curve della coppia
Le curve del motore rappresentate valgono solo se è disponibile la tensione nominale
UN. Nel momento in cui si presenta una tensione minore, la coppia si riduce della metà.
Se l’effettiva tensione del motore si riduce del 50%, la coppia si ridurrà di un quarto. Se
si confrontano le curve della coppia, si vedrà che la differenza tra la curva del carico e la
curva della coppia è superiore sia a tensione nominale che a tensione ridotta. La coppia
del motore e, quindi, la potenza d’accelerazione possono essere modificate in funzione
della tensione del motore.
2.2.2
Modifica della tensione del motore
Ritardo di fase
E’ possibile cambiare la tensione del motore con il controllo del ritardo di fase.
Con l’uso di un semiconduttore controllabile (il tiristore) è possibile passare soltanto
una certa percentuale della tensione al motore ritardando una mezza semionda
sinusoidale. L’istante a partire dal quale il tiristore trasmette la semionda sinusoidale si
chiama angolo d’accensione «alfa». Se l’angolo «alfa» è grande, la tensione efficace del
motore è bassa. Se l’angolo di accensione «alfa» viene spostato progressivamente verso
sinistra, la tensione efficace del motore aumenta. Con la regolazione corrispondente, il
ritardo di fase è un metodo semplice ed efficace per modificare la tensione del motore.
2.3
Avviamento motore
2.3
Metodi d’avviamento
Generalmente esistono due possibilità per avviare un motore con un avviatore statico
questi sono:
avviamento con controllo della rampa di tensione
avviamento con limitazione di corrente
2.3.1
Avviamento con controllo della rampa di tensione
Controllo della rampa di tensione
Nell’avviamento con controllo della rampa di tensione, vengono regolati il tempo
d’accelerazione e la percentuale della coppia di pieno carico.
L’avviatore statico aumenta la tensione ai morsetti del motore linearmente da un valore
iniziale prestabilito (tensione iniziale) fino alla tensione nominale di rete. La tensione
minima del motore all’inizio del processo d’avviamento ha come conseguenza una
coppia del motore bassa in questo modo si ha un processo d’accelerazione morbido. Il
valore iniziale della tensione prestabilito è determinato dalla percentuale della coppia di
pieno carico = coppia di avviamento del motore. Con l’SMC Dialog Plus, esiste la
possibilità di scegliere tra due profili di rampa di tensione con tempi d’accelerazione e
percentuali della coppia di pieno carico regolabili separatamente.
Il tempo d’accelerazione del motore risulta dalla regolazione dello stesso e dalla
percentuale della coppia di pieno carico. Se si sceglie una percentuale della coppia di
pieno carico molto alta o un tempo d’accelerazione molto breve, si ottiene quasi
l’avviamento diretto. Nella prassi, si stabilisce prima il tempo d’accelerazione (nelle
pompe circa 10 sec.) e poi si fissa la percentuale della coppia di pieno carico in modo
che venga raggiunto l’avvio morbido desiderato.
Il tempo d’accelerazione per il raggiungimento della velocità di regime non è
l’effettivo tempo della macchina, che dipende dal carico e dalla percentuale della
coppia di pieno carico.
Durante l’avviamento statico con controllo della rampa di tensione, un certo livello
della corrente d’avviamento, s’incrementa fino ad un valore massimo e diminuisce ad IN
al raggiungimento della velocità di regime del motore. La corrente massima non può
essere stabilita in anticipo, si regolerà in base al motore. Se, comunque, una certa
corrente non può essere superata, l’avviamento può essere effettuato con limitazione di
corrente.
2.4
Avviamento motore
2.3.2
Avviamento con limitazione di corrente
Curve della corrente durante l’accelerazione
La corrente sale linearmente con una determinata rampa fino al raggiungimento del
massimo prestabilito e diminuisce ad IN al raggiungimento della velocità nominale del
motore. Con questo metodo il motore può prelevare solo una certa corrente di
avviamento. Il seguente metodo d’avviamento è spesso richiesto dalle società fornitrici
di energia elettrica nel caso in cui si debba collegare sulla linea d’alimentazione un
motore di grosse dimensioni (grosse ventilazioni, pompe).
2.3.3
Coppie
Curve della coppia
In questo grafico sono rappresentate le diverse coppie del motore con l’avviamento
diretto, l’avviamento statico con controllo della rampa di tensione e con limitazione di
corrente.
2.4
Tipi di avviatori statici
Le differenze tra i vari tipi di avviatori statici consistono, prevalentemente, nella
struttura dei componenti di potenza e delle caratteristiche del modulo di controllo.
Come già è stato detto, l’avviatore statico si basa sul principio del ritardo di fase.
Attraverso dei tiristori è possibile ritardare la semionda sinusoidale e trasmettere al
motore solo una parte della tensione nominale.
Il tiristore permette il flusso di corrente solo in una direzione. Per questo motivo è
necessario un secondo semiconduttore polarizzato posto nella direzione contraria, che
conduce la corrente negativa (semiconduttori collegati in modo antiparallelo).
2.5
Avviamento motore
Gli avviatori statici si distinguono in gruppi a secondo dei seguenti criteri:
1. Il numero delle fasi controllate.
Monofase (avviatori statici con controllo di una fase), bifase (avviatori statici con
controllo di due fasi) oppure trifase (avviatori statici con controllo di tre fasi).
2. Il tipo del secondo semiconduttore con polarità opposta.
Se si seleziona un diodo, questo è chiamato avviatore statico con controllo di una
semionda.
Se si sceglie un tiristore, questo è chiamato avviatore statico con controllo ad onda
piena.
I seguenti schemi elettrici dimostrano il principio come i diversi tipi agiscono sulla
tensione e sulla corrente del motore.
2.4.1
Avviatore statico monofase con controllo ad onda piena
L1
L2
L3
F1
Avviatore statico
Controllo monofase
Nel caso dell’avviatore statico con controllo monofase, il ritardo di fase (fase L2) è
effettuato in una fase per mezzo di due tiristori antiparalleli. Le fasi L1 e L3 sono
collegate direttamente al motore.
Durante l’avviamento, approssimativamente circola nelle fase L1 e L3 la corrente
nominale del motore pari a circa 6 volte. Solo nella fase regolata è possibile ridurre la
corrente fino a 3 volte la corrente nominale.
2.6
Avviamento motore
Se si confronta questo metodo con un avviamento diretto, il tempo per il
raggiungimento della velocità di regime sarà più lungo, e la corrente efficace del motore
non sarà diminuita in modo rilevante. Di conseguenza nel motore circola
approssimativamente la stessa corrente come se fosse un avviamento diretto. In questo
modo, il motore si riscalda di più. Poiché il ritardo è solo di una fase, la rete viene
caricata asimmetricamente durante la fase d’avviamento. Questo metodo corrisponde al
classico collegamento KUSA.
Gli avviatori statici con controllo ad una o due fasi sono per lo più impiegati per motori
con potenza fino ad un massimo di 5,5 kW. Sono adatti solo per evitare urti meccanici
in un sistema. La corrente di avviamento del motore ad induzione con questo metodo
non viene ridotta.
2.4.2
Démarreur progressif commandé par demi-alternance sur
trois phases
L1
L2
L3
F1
Avviatore statico
Controllo a semionda
Nell’avviatore statico con controllo trifase a semionda sinusoidale, il ritardo di fase è
realizzato su tutte e tre le fasi. Un tiristore con diodo in antiparallelo viene utilizzato
come semiconduttore di potenza. In questo modo il ritardo di fase è utilizzato solo in
una semionda (controllo a semionda). In questo modo la tensione è ridotta solo durante
la semionda quando il tiristore conduce. Nella seconda semionda, quando il diodo
conduce, la tensione nominale di rete è applicata al motore.
Nella semionda non controllata (diodo), i picchi di corrente sono maggiori rispetto a
quella controllata. Le armoniche ad essa collegate provocano nel motore un
riscaldamento supplementare.
Poiché i picchi di corrente nelle semionde non controllate (diodo) e le armoniche
superiori ad esse collegate diventano critiche nelle grandi prestazioni, si possono
utilizzare avviatori statici controllati a semionda solo per applicazioni fino a circa
45 kW.
2.7
Avviamento motore
2.4.3
Avviatore statico trifase con controllo ad onda piena
L1
L2
L3
F1
Avviatore statico
Controllo ad onda piena
Per questo tipo di avviatore statico, il ritardo di fase è realizzato su tutte e tre le fasi.
Due tiristori in antiparallelo sono utilizzati come semiconduttori di potenza. In questo
modo la tensione di fase viene ritardata (controllo ad onda intera) in entrambe le
semionde. A causa delle armoniche superiori presenti durante il ritardo di fase, il motore
è tuttavia messo sotto un carico termicamente alto come durante l’avviamento diretto.
Gli avviatori statici con controllo ad onda piena sono utilizzati per applicazioni fino a
circa 630 kW.
2.5
Carico termico durante l’avviamento
Riscaldamento del motore
1 polo
4
3
2 polo
2
semionda
onda intera
1
1
2
3
4
5
6
Tempo per l'avviamento del motore
Riscaldamento del motore
In questo grafico è rappresentata l’influenza del riscaldamento del motore con i diversi
tipi di avviatori statici rispetto all’avviamento diretto.
2.8
Avviamento motore
Il punto 1/1 segna il riscaldamento del motore dopo l’avviamento diretto. L’asse delle
ascisse rappresenta il fattore di moltiplicazione del tempo d’avviamento e l’asse delle
ordinate il fattore di moltiplicazione del riscaldamento del motore. Se, per esempio, il
tempo d’avviamento è raddoppiato rispetto all’avviamento diretto, ciò significa che:
•
•
•
•
per l’avviatore statico con controllo monofase, il riscaldamento del motore aumenta
di 1,75 volte;
per l’avviatore statico con controllo bifase, l’aumento è di 1,3 volte;
per l’avviatore statico con controllo a semionda, l’aumento è di 1,1 volte;
per l’avviatore statico con controllo ad onda piena, in pratica non è possibile
stabilire un riscaldamento supplementare.
Per tempi d’accelerazioni lunghi e potenze elevate, deve essere utilizzato un avviatore
statico con controllo ad onda piena.
2.6 Vantaggi degli avviatori statici
•
•
•
•
•
•
•
Grazie all’avviamento lento, l’avviatore statico protegge il motore e la macchina.
La corrente d’avviamento è ridotta o può essere limitata.
La coppia si adatta al carico corrispondente.
Per le pompe, è possibile evitare il colpo di ariete durante l’avviamento e l’arresto.
Sono evitati urti e shock, che possono impedire un processo.
Viene ridotta l’usura delle cinghie, delle catene, dei meccanismi e dei cuscinetti.
Grazie alle diverse possibilità di regolazione, è possibile un’automazione
semplificata.
2.7 Vantaggi per l’utilizzatore
2.7.1 Parte meccanica
Durante l’avviamento diretto, il motore sviluppa un’altissima coppia d’avviamento. La
coppia d’avviamento di solito è dal 150 al 300% della coppia nominale. A seconda del
tipo d’avviamento, la meccanica della macchina può essere sollecitata in modo
eccessivo dall’elevata coppia d’avviamento («stress meccanico»), oppure il processo di
produzione può essere disturbato inutilmente da scatti impulsivi di coppia.
•
•
•
2.9
Con l’installazione di un avviatore statico, l’impatto della coppia che si produce
sulla parte meccanica della macchina può essere prevenuto.
La caratteristica d’avviamento può essere adattata all’applicazione (per es. controllo
delle pompe).
Semplice cablaggio al motore (solo 3 conduttori).
Avviamento motore
2.7.2
Parte elettrica
L’avviamento dei motori trifasi causa elevati picchi di corrente sulla rete
d’alimentazione (6 – 7 volte la corrente nominale). Di conseguenza, si possono
verificare notevoli cadute di tensione, che disturbano le altre utenze collegate sulla
stessa rete d’alimentazione. Le società elettriche stabiliscono, per questo motivo, valori
limite per le correnti d’avviamento dei motori.
•
•
•
•
Con un avviatore statico è possibile limitare la corrente di spunto del motore fino a
quando non è richiesta coppia d’avviamento elevata.
In questo modo si riducono le sollecitazioni sulla rete d’alimentazione.
Possibile riduzione della tariffa di allacciamento sulla rete d’alimentazione per una
minor potenza installata.
In molti casi, tuttavia, le società fornitrici di energia elettrica richiedono una
limitazione della corrente d’avviamento. In questo modo si rispetta la conformità
alle corrispondenti norme in vigore.
2.8
Possibilità di impiego
Le applicazioni tipiche sono:
•
•
•
•
Carri ponti, nastri trasportatori, trasmissioni
Agitatori, mescolatori, frantoi
Pompe, compressori, ventilatori
Meccanismi con trasmissioni, catene, cinghie, giunti
Pompe:
E’ possibile eliminare i colpi d’ariete che si verificano all’avviamento e all’arresto di un
motore per pompa centrifuga con un controllo particolare.
Compressori:
Per i compressori, con l’avviamento stella-triangolo la velocità può diminuire durante la
commutazione dalla stella al triangolo. Un avviatore statico garantisce un avviamento
continuo e non può provocare nessuna diminuzione di velocità.
Motori monofase:
Se si vuole avviare un motore monofase con un avviatore statico, è necessario un
avviatore statico con controllo monofase ad onda piena.
In generale:
Per motivi economici, l’avviatore statico rappresenta la sostituzione naturale
dell’avviamento stella-triangolo con maggiori prestazioni. Soprattutto. Per applicazioni
con avviamenti pesanti (il carico non può essere aggiunto dopo il raggiungimento della
velocità di regime), un avviatore statico potrà addirittura essere preferito ad un
avviamento stella-triangolo.
2.10
Avviamento motore
2.9
2.9.1
Avviamento di motori per pompe centrifughe
Sviluppo della corrente e della coppia in un avviamento
stella-triangolo
Curve della corrente stella-triangolo
Nel grafico sono rappresentate le curve caratteristiche della coppia e della corrente
nell’avviamento a stella e a stella-triangolo in funzione della velocità. Per questa
applicazione, l’avviamento stella-triangolo è sconveniente, in quanto l’avviatore non è
caricato. Durante la commutazione dalla stella al triangolo, la corrente scende a zero e la
velocità diminuisce a seconda delle applicazioni. La commutazione a triangolo causa un
aumento brusco della corrente. Nel caso in cui la potenza installata non sia sufficiente,
questo causa una caduta di tensione sulla rete di distribuzione.
Durante la commutazione a triangolo, anche la coppia motore subisce un incremento,
che rappresenta uno sforzo meccanico sull’intera macchina. Se le pompe sono azionate
con l’utilizzo dello stella-triangolo, generalmente viene applicato uno sbarramento
meccanico.
2.11
Avviamento motore
2.9.2
Comportamento della velocità in un avviatore statico con
controllo pompa
Comportamento della velocità in un avviatore statico con controllo pompa
Nell’avviatore statico con il modulo per controllo pompa, il motore non accelera
linearmente. Il cambiamento della velocità avviene secondo una curva ad S.
L’avviamento ottimale della pompa è raggiunto attraverso l’avviamento lento, che
raggiunge la velocità nominale con un’accelerazione rapida e ritardata.
L’arresto di una pompa rappresenta una forte sollecitazione per l’avviatore statico. La
pompa deve essere ritardata in modo da evitare il colpo d’ariete. L’avviatore statico
deve conoscere il carico ed il numero di giri del motore ed adattarsi in modo
corrispondente ai suoi parametri in modo che sia raggiunto lo scopo desiderato.
2.9.3
Confronto delle curve caratteristiche della coppia
Curve della coppia
In questo grafico sono rappresentate le curve caratteristiche della coppia con i diversi
sistemi d’avviamento. La curva nell’avviatore statico con controllo pompa è parallela
alla curva caratteristica della pompa, in modo da raggiungere una coppia
d’accelerazione costante.
2.12
Avviamento motore
2.9.4
Caratteristica della portata durante l’avviamento
Curva della portata durante l’avviamento
Questo grafico rappresenta la curva della portata durante l’avviamento per differenti
procedure d’avviamento.
Durante l’avviamento diretto, la portata del liquido per effetto della pressione, accelera
molto rapidamente. Se si raggiunge il 100% della portata del liquido, subentra un
notevole cambiamento dell’accelerazione. In questo modo si provoca il così detto colpo
d’ariete che può causare rilevanti danni all’impianto. In un avviatore statico
convenzionale, il cambiamento d’accelerazione è sostanzialmente minore e, quindi,
anche le conseguenze che ne derivano.
Solo nell’avviatore statico con controllo per pompa il cambiamento d’accelerazione è
talmente basso da evitare qualsiasi colpo d’ariete.
2.9.5
Curva della portata durante l’arresto
Curva della portata durante l’arresto
Il grafico rappresentata la curva della portata durante l’arresto nei diversi procedimenti
d’arresto.
2.13
Avviamento motore
L’arresto immediato di una pompa centrifuga durante la massima velocità del motore
vuol dire fare crollare l’intera colonna d’acqua sulla valvola di non ritorno. In questo
modo, l’impianto viene caricato maggiormente rispetto all’avviamento diretto.
Il controllo della rampa di decelerazione (Arresto dolce) tradizionale non è adatto per il
controllo delle pompe, in quanto la velocità della portata viene ritardato solo fino ad un
certo grado e quindi, si verificherebbe lo stesso effetto che avviene durante la «velocità
massima».
Un rallentamento ottimale della portata può essere ottenuto solo con un arresto
«regolato» con controllo della pompa. È molto importante durante l’avviamento, ma è
ancora maggiormente più importante durante l’arresto per eliminare completamente i
colpi d’ariete. L’avviatore statico deve ritardare lentamente il flusso all’avviamento,
aumentare il ritardo per ridurlo verso la fine, in modo che poi questo venga frenato
lentamente fino a zero.
2.9.6
Requisiti di un avviatore statico con controllo pompa
Tutti gli impianti hanno diversi livelli con diverse lunghezze dei conduttori, per cui non
è sufficiente associare le curve caratteristiche delle pompe col corrispondente software.
L’avviatore statico deve adattarsi alle diverse condizioni delle applicazioni per controllo
pompe, solo in questo modo può essere garantito un avviamento ed un arresto ottimale.
2.9.7
Campi di applicazione
Gli avviatori statici con il modulo per il controllo pompa sono attualmente usati in molti
settori. Alcuni di questi sono:
•
•
•
•
•
•
•
Approvvigionamento idrico
Impianti di depurazione
Fabbricazione della birra / Caseifici
Sistemi di riscaldamento centralizzato
Piscine
Produzione di bibite e di alimenti
Impianti chimici e petrolchimici
2.10
•
•
•
•
•
Industria estrattiva
Impianti di rifornimento
Produzione della carta
Lavorazione del legno
Tecnica HLK
Opzioni
Sono disponibili diverse opzioni per gli avviatori statici:
•
•
•
•
•
•
Arresto dolce
Regolazione con controllo pompa
Bassa velocità preselezionata
Frenatura intelligente del motore
Accu Stop
Bassa velocità preselezionata con frenatura
queste opzioni sono descritte più dettagliatamente nel catalogo dei prodotti
Allen-Bradley.
2.14
Avviamento motore
3
Convertitori di frequenza
3.1
Considerazioni generali
L’industria ha la necessità di accelerare sempre di più i tempi di produzione e,
continuamente, vengono sviluppati metodi migliori per impianti di produzione sempre
più efficienti. I motori elettrici sono componenti essenziali di questi impianti. Per questo
motivo, sono state sviluppate diverse metodologie per il cambiamento della velocità
impostata dei motori trifase ad induzione ai quali sono legati, nella maggior parte dei
casi, rilevanti perdite di potenza o notevoli investimenti. Con lo sviluppo del
convertitore di frequenza è possibile installare, in maniera efficiente, motori ad
induzione a velocità variabile.
Un convertitore di frequenza è un apparecchio elettronico che regola la velocità dei
motori ad induzione modificando la frequenza e la tensione con valori variabili. In
questo modo, il motore può fornire una coppia elevata a tutte le velocità.
3.2
Struttura
Struttura principale
Il convertitore di frequenza può essere suddiviso in tre componenti principali.
Raddrizzatore:
Il raddrizzatore viene collegato alla rete di distribuzione e produce una tensione
continua pulsante.
Circuito intermedio:
Il circuito intermedio immagazzina e livella la tensione continua pulsante.
Invertitore:
Con l’utilizzo della tensione continua, l’invertitore riconverte nella rete di distribuzione
la tensione con la frequenza desiderata. A questa uscita è collegato il motore.
Circuito di controllo:
L’elettronica nel circuito di controllo può inviare e ricevere segnali dal raddrizzatore,
dal circuito intermedio e dall’invertitore. I segnali vengono generati ed analizzati con un
microprocessore interno all’apparecchio.
3.1
Avviamento motore
3.2.1
Raddrizzatori principale
Raddrizzatore principale
Il raddrizzatore principale consiste in un collegamento a ponte dei diodi, che
raddrizzano la tensione d’alimentazione. La tensione continua risultante corrisponde
al
_
valore massimo della tensione d’alimentazione alla quale è collegata (Ue x √2).
La differenza fondamentale tra un collegamento con ponte monofase ed uno trifase è la
tensione pulsante che si produce. In pratica si preferisce, per motivi di costi, la versione
con ponte monofase per basse potenze (fino a circa 2,2 kW). Per potenze superiori,
questa versione non è adatta per le seguenti ragioni:
il ponte monofase rappresenta un carico non bilanciato per la linea d’alimentazione. La
forma d’onda della tensione continua è maggiore rispetto al modello trifase. Per questo
motivo, anche la capacità del circuito intermedio deve essere sopra dimensionata.
Il raddrizzatore del convertitore di frequenza è composto da diodi o tiristori. Un
raddrizzatore composto da diodi non è regolabile, uno composto da tiristori è regolabile.
Il ponte a diodi è impiegato per potenze di motori fino a circa 22 kW.
3.2.1.1 Diagramma delle forme d’onda della tensione continua
Raddrizzatori principali
3.2
Avviamento motore
3.2.2
Circuito intermedio
Circuito intermedio CC
Il circuito intermedio può essere considerato come un deposito, dal quale il motore
riceve, attraverso l’invertitore, la propria energia. Il condensatore del circuito
intermedio C accumula l’energia proveniente dalla linea d’alimentazione, che richiede
un’alta capacità. Il motore collegato al convertitore di frequenza preleva l’energia dal
circuito intermedio, in questo modo il condensatore viene in parte scaricato. Il
caricamento del condensatore può avvenire solo quando la tensione d’alimentazione è
più alta della tensione del circuito intermedio. In questo modo l’energia è fornita dalla
rete quando la tensione principale è vicina al suo massimo. Questo provoca dei picchi di
corrente che si sommano quando alcuni cambi di frequenza vengono commutati in
parallelo. A questo scopo viene installato, per le potenze maggiori (a partire da circa 5,5
kW), un induttore nel circuito intermedio. Questo induttore ha il compito di ritardare la
durata del flusso di corrente sulla rete e di ridurre, in questo modo, i picchi di corrente.
3.2.3
Invertitori
Invertitore IGBT
L’invertitore è l’ultimo anello del cambiamento di frequenza, davanti al motore. (Per
sistemi con plurimotori è necessaria una protezione supplementare prima di ogni
motore). Esso trasforma la corrente continua in una rete ad induzione con frequenza e
tensione variabili. I diversi semiconduttori sono utilizzati come semiconduttori di
3.3
Avviamento motore
potenza: GTO (tiristore Gate Turn Off), FET (field effect transistor), IGBT (Insulate
Gate Bipolar Transistor). I moderni convertitori di frequenza sono, nella maggior parte
dei casi, dotati di IGBT. Le nuove generazioni di questi semiconduttori raggiungono una
potenza di circa 350 kW.
Come si trasforma, dunque, una tensione continua in una tensione trifase con frequenza
variabile? Gli elementi strutturali dell’invertitore funzionano come interruttori (regolati
da un microprocessore) e collegano, a secondo della frequenza, la tensione negativa e
positiva all’avvolgimento del motore. Le modifiche di frequenza e tensione avvengono,
nella maggior parte dei convertitori di frequenza, con la modulazione dell’ampiezza
d’onda PWM.
3.2.3.1 Diagramma della modulazione dell’ampiezza d’onda
Modulazione dell’ampiezza d’onda
3.3
3.3.1
Comportamento operativo
Rapporto frequenza-tensione
Curva U-f
Nel collegamento diretto del motore alla linea d’alimentazione, sussistono condizioni
applicativi ideali per il motore. Il convertitore di frequenza garantisce, attraverso la
modifica della tensione, livelli vicini a queste condizioni applicative.
3.4
Avviamento motore
Come standard vale una caratteristica U-f lineare da 0 a 50 Hz a 400 V. Se si raggiunge
una frequenza superiore a 50 Hz, la tensione non aumenta ulteriormente (tensione
principale). Il motore, allora, non può più fornire la potenza nominale e quindi non può
più essere sottoposto al pieno carico.
Curva U-f
La caratteristica del motore può essere incrementata per essere trasformata dalla
limitazione di frequenza (di solito 50 Hz). Un rapporto standard è di:
230 V - 50 Hz e 380 V - 87 Hz. Ciò significa che il motore può essere azionato fino ad
87 Hz con carico nominale.
3.3.2
Aumento di tensione oppure un boost
Aumento di tensione
Il rapporto lineare U-f funziona male a bassa frequenza (< 5 Hz). Il motore non sviluppa
più nessuna coppia e si ferma a bassa velocità. Per evitare questo inconveniente, deve
essere impostato, in caso di bassa velocità, un aumento di tensione oppure un «boost».
A questo scopo sono a disposizione dell’utente numerose possibilità, a seconda del tipo
di convertitore di frequenza:
Auto-Boost:
L’aumento di tensione viene determinato dal software del convertitore di frequenza.
Questo boost copre la maggior parte delle applicazioni.
3.5
Avviamento motore
Boost CC:
La curva U-f è ricoperta da una tensione fissa. Con questo sistema può essere generata
la massima coppia del motore. Tuttavia, bisogna fare attenzione, perché la corrente del
motore aumenta molto rapidamente durante questa procedura.
3.3.3
Compensazione dello scorrimento
Compensazione dello scorrimento
Se un motore trifase ad induzione viene caricato, la sua velocità diminuisce e lo
scorrimento aumenta. Se non si desidera questa diminuzione della velocità, il
convertitore di frequenza offre una cosiddetta compensazione dello scorrimento. Ciò
significa che il convertitore di frequenza aumenta automaticamente la frequenza iniziale
e in questo modo la velocità non diminuisce. Questa compensazione permette una
precisione di velocità di circa lo 0,5 %.
3.3.4
Valore impostato
Il livello del valore impostato determina la frequenza iniziale e in questo modo anche la
velocità del motore. Il valore impostato può essere in diversi modi fornito dal
convertitore di frequenza:
•
•
•
•
con un potenziometro (di solito 10 kOhm)
con un segnale analogico (0...10 V o 4...20 mA)
attraverso un’interfaccia seriale
attraverso un bus del campo
È anche possibile programmare, nel convertitore di frequenza, diverse frequenze fisse e
attivarle all’ingresso, secondo le necessità.
3.3.5
Compensazione
Come in precedenza, nel circuito del motore circolano una corrente reattiva e una attiva.
La corrente reattiva, tuttavia, oscilla tra la capacità del circuito intermedio e l’induttanza
del motore e dunque non carica la rete. Solo la potenza attiva, le perdite della
trasmissione e le perdite del convertitore di frequenza sono pareggiate dalla rete. Il cos j
della corrente di rete è, di conseguenza, quasi 1. Nella maggior parte dei casi, può essere
omessa una compensazione della trasmissione.
3.6
Avviamento motore
3.3.6
Protezione del motore
I convertitori di frequenza sono normalmente equipaggiati con una protezione
elettronica del motore integrata. Non è necessario normalmente una protezione
supplementare. Per applicazioni speciali, per es. quando un convertitore di frequenza
alimenta più motori, si consiglia una protezione addizionale per ogni motore. Bisogna,
tuttavia, prestare attenzione al fatto che il motore può essere messo in funzione anche
con una velocità inferiore. Poiché nei motori standard il ventilatore viene montato
sull’albero, non viene più garantito un raffreddamento ottimale del motore. In questo
caso, dovrebbe essere installato un ventilatore separato. Per assicurare la protezione
anche a basse velocità, devono essere installate sonde termiche negli avvolgimenti del
motore, ad esempio termistori (PTC).
3.3.7
Inversione della rotazione e frenatura
Poiché il campo rotante nel convertitore di frequenza è generato elettronicamente, è
sufficiente un impulso di comando per cambiare il senso di rotazione.
Se la frequenza si riduce durante il funzionamento del motore, il rotore ruota più
velocemente del campo rotante. Il motore opera nel cosiddetto funzionamento
ipersincrono e agisce da generatore. L’energia viene, dunque, ricondotta nel convertitore
di frequenza, dove viene di nuovo accumulata nel circuito intermedio. Solo un aumento
limitato di energia può essere deviata, quindi l’energia superflua porta ad un aumento di
tensione. Se la tensione supera un determinato valore, il convertitore di frequenza si
disinserisce. Per evitare ciò, è necessario dissipare l’energia e questo può avvenire in
vari modi.
Frenatura - Controllata
Frenatura - Controllata:
l’energia viene annullata su una resistenza attraverso un congegno elettronico.
Riscontro:
l’energia viene ricondotta alla rete attraverso un invertitore separato.
3.7
Avviamento motore
Bus a corrente continua:
i circuiti intermedi di diversi convertitori di frequenza vengono collegati l’uno all’altro.
In questo modo, l’energia di frenatura di altri motori viene utilizzata per il
funzionamento.
3.4
Vantaggi dei convertitori di frequenza
Risparmio energetico:
si risparmia energia se il motore funziona con un numero di giri corrispondente alla
richiesta del momento. Ciò vale specialmente per pompe e ventilatori. Assorbimenti di
corrente minori anche con velocità minori e coppie elevate.
Ottimizzazione del processo:
l’adattamento della velocità al processo produttivo crea numerosi vantaggi quali una
produzione efficiente e uno sfruttamento ottimale degli impianti. La velocità può essere
adattata in funzione delle esigenze richieste.
Minor danneggiamento del motore durante il funzionamento:
diminuisce il numero degli avviamenti e degli arresti. In questo modo, si evita un
eccessivo ed inutile stress sui componenti della macchina.
E’ richiesta una minore manutenzione:
il convertitore di frequenza non richiede manutenzione.
Ambiente di lavoro migliore:
la velocità di un nastro trasportatore può essere adattata alla velocità di lavoro. Con
avviamenti e arresti lenti si evita la caduta del prodotto trasportato dal nastro.
3.5
3.5.1
Interferenze da radiofrequenza
Considerazioni generali
Ogni corrente e ogni tensione con forma d’onda non sinusoidale contiene armoniche
superiori. La frequenza di queste armoniche dipende dall’inclinazione della curva della
corrente o della tensione.
Se, per esempio, si stabilisce un contatto, la corrente aumenta improvvisamente (molto
rapidamente) da zero alla corrente nominale. Ciò è percepibile, eventualmente, in una
radio sotto forma di colpo acustico. Un singolo impulso sonoro non viene percepito
come disturbo. Poiché i semiconduttori di potenza di un convertitore di frequenza
funzionano come «contatti», questi apparecchi trasmettono tensioni di interferenza in
radiofrequenza. A causa della frequenza relativamente elevata delle interruzioni (da 2 a
circa 8 kHz), vengono influenzati altri apparecchi elettronici.
3.8
Avviamento motore
I disturbi radio (RFI: Radio Frequency Interferences) sono definiti come oscillazioni
con frequenze tra 150 kHz e 30 MHz. Si diffondono attraverso i conduttori o per
radiazione. L’entità dei disturbi dipende da diversi fattori:
•
•
•
•
Dalle condizioni dell’impedenza nella rete di distribuzione
Dalla frequenza delle interruzioni dell’invertitore
Dalla frequenza della tensione d’uscita
Dalla struttura meccanica del convertitore di frequenza
3.5.2
Norme
Norma RFI
In diversi Paesi esistono norme che stabiliscono la quantità di disturbi radio che un
apparecchio può emettere. Se si esaminano le diverse norme, si vedrà che la maggior
parte di esse ha lo stesso contenuto. Fondamentalmente vengono fissati sempre due
livelli: la caratteristica per le prestazioni industriali (EN 50081-2) e quella per gli scopi
commerciali (EN 50081-1).
3.9
Avviamento motore
3.5.3
Provvedimenti
In linea di massima, le interferenze radio vengono emesse per radiazione o attraverso i
conduttori. I provvedimenti hanno effetto solo se sono state rispettate le norme
d’installazione. Per i collegamenti a terra di grosse superfici bisogna prestare molta
attenzione. I convertitori di frequenza e i filtri vanno fissati alla stessa piastra
conduttrice.
Radiazione:
Se il convertitore di frequenza viene installato in un involucro metallico collegato a
terra, non dovrebbero sussistere problemi di radiazione.
Linee d’alimentazione del convertitore di frequenza:
Se vengono installati filtri RFI devono essere rispettate le norme più rigide. Un
induttore del circuito intermedio incorporato può essere già sufficiente e si può
rinunciare al filtro.
Cavi del motore:
Nel cavo del motore vengono limitate le interferenze radio anche con filtri RFI.
I filtri diventano, però, relativamente grandi e hanno forti dissipazioni. Di solito,
quindi, si limitano i disturbi radio nel cavo del motore con uno schermaggio.
3.10
4.1
Diretto
Determinata
relativa l/le
Motore, Macchina
della corrente
durante
e corrente ridotte;
riduzione della corrente
di spunto
l’avviamento
e maggiore coppia
velocità di regime
démarrage élevé
d’avviamento
minore massa d’inerzia
raggiungimento della
un’alta coppia
resistente fort couple résistant
ma per macchine con
caricate solo dopo il
carichi, che richiedono
Normale come Y-D,
Macchine che vengono
Macchine con grossi
commutazione
normale; riduzione
Avviamento con coppia
Avviamento Y-D
15...60 s
2...15 s
(0,5–1,0xMe)
MA=0,33xMAD
(1,3…2,7xIe)
IA=0,33xIAD
Debole
Minimo
interruzione
spunto durante
15...60 s
2...15 s
(0,5…1,0xMe)
Stella-triangolo
Commutazione senza
Alta corrente allo
5...30 s
0,2...5 s
dal motore
Determinata
MA=0,33xMAD
(1,3…2,7xIe)
IA=0,33xIAD
Debole
Minimo
Normale
IA....Corrente d’avviamento del motore
IAD....Corrente d’avviamento del motore per l’avviamento diretto
MAD....Coppia d’avviamento del motore per l’avviamento diretto
Ie...Corrente di funzionamento nominale del motore
Me...Coppia di funzionamento nominale del motore
1) Dimensionamento possibile con una scala dei tempi in minuti
Campo di applicazione
Funzioni caratteristiche
di regime a pieno carico 1)
Tempo d’accelerazione Velocità
Tempo d’accelerazione
Avviamento normale
relativa M/Me
MAD=1,5...3xMe
dal motore
IA=IAD=4...8xIe
Corrente d’avviamento
Coppia di avviamento
Alta
Massimo
Potenza installata
Carico all’avviamento
Avviamento diretto
d’avviamento
coppia in fase
di una maggiore
Macchine con richiesta
all’avviamento
corrente e coppia
normale, maggiore
Avviamento Y-D
10...40 s
2...10 s
(0,7…1,5xMe)
MA=~0,5xMAD
(2…4xIe)
IA=~0,5xIAD
Media
Medio
Rafforzato
A
AD
AD
l’avviamento Y-D
inglese. Sistema come
nei paesi di lingua
Prevalentemente usato
dell’autotr. selezionabile
commutazione e uscita
senza interruzione di
Simile allo Y-D,
20...60 s
2...20 s
dell’autotr.: 80%; 65%; 50%)
(Dipendente dalle uscite
A
dell’autotr.: 80%; 65%; 50%)
M =k2xM
(Dipendente dalle uscite
Tra debole e media
Da debole a medio
I =k2xI
autotrasformatore
Avviamento con
Trasformatore
2...20 s
(0,4…0,8xMe)
typ. 0,25xMAD
(2…4xIe)
typ. 0,5xIAD
Media
Debole
resistenze
velocità
aumenta con la
resistente che
Macchine con coppia
di giri
aumenta con il numero
(e la coppia relativa)
La tensione del motore
ma più flessibile.
resistenza più dispendioso,
senza carico. Con
conveniente; per avviamenti
Economicamente
alle induttanze
inferiore rispetto
numero di giri in misura
coppia aumentano con il
La tensione e la
Insolito per carico pesante
2...20 s
(0,4…0,8xMe)
typ. 0,25xMAD
(2…4xIe)
typ. 0,5xIAD
Media
Da debole a medio
induttanze
Avviamento tramite
Statorico
Avviamento tramite
Motori speciali
sulla velocità
esigenza operativa
Per lo più per
come per es. per lo Y-D
dal collegamento Corrente
dipendono dal motore e
coppia d’avviamento
La corrente e la
5...30 s
0,2...10 s
e dal collegamento
Dipende dal motore
MA=0,5...1xMAD
e dal collegamento
Dipende dal motore
IA=0,5...1xIAD
Tra media e alta
Da medio a massimo
doppia polarità
Avviamento motori a
A
AD
riduzione della corrente)
morbida o regolabile (o la
una curva della coppia
Avviamenti che richiedono
relativamente piccola
velocità massima. Coppia
possibilità di controllare la
regolabile. Anche con la
Caratteristica di avviamento
10...60 s
0,5...10 s
della tensione)
(Fattore di riduzione
della tensione)
M =k2xM
(Fattore di riduzione
IA=kxIAD ( typ. 2...6xIe)
Tra debole e media
Da debole a medio
avviatori di potenza
Avviamento con
degli avviatori di potenza.
ridotte anche al posto
funzionamento. Per potenze
il numero di giri in
Per lo più per regolare
avviamento regolabile.
Caratteristica di
con bassa corrente.
Alta coppia disponibile
5...60 s
0,5...10 s
richiesta di carico senza nessuna limitazione
coppia può essere adattata alla
Avviamento regolato dalla frequenza. La
IA<=1(...2)xIe
Debole
Da debole a medio
convertitori di frequenza
Avviamento con
Avviamento con apparecchiature di comando elettroniche
Confronto tra i
vari metodi
d’avviamento
Tipo d’avviamento
4
Confronto tra i vari metodi d’avviamento dei motori standardizzati a gabbia di scoiattolo (valori tipici)
Avviamento motore
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Pubblicazione WP-Start IT, Gennaio 98
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