L’inverter per motore elettrico è ormai presente in molteplici apparecchi di impiego comune e permette la variazione della frequenza di rete consentendo, di conseguenza, la regolazione della velocità dei motori asincroni.
In passato, la macchina asincrona consentiva scarse applicazioni di regolazione di velocità e con ampi limiti a causa delle difficoltà legate alla conversione e variazione della frequenza. L’elettronica ha ormai contribuito a rendere il motore asincrono molto attuale nelle regolazioni di velocità, consentendo la realizzazione di una macchina costruttivamente semplice e robusta nei confronti della macchina a corrente continua, ritenuta fino a non molti anni fa insostituibile nel campo delle regolazioni e dei controlli.
Principio di Funzionamento
La rete di distribuzione è a frequenza fissa, per cui per avere una sorgente a frequenza variabile si ha la necessità di un convertitore di frequenza o inverter. Questo dispositivo ha tipicamente il compito di convertire l’energia fornita da una sorgente in corrente continua in una uscita, ai suoi morsetti, di grandezze alternate sinusoidali, con ampiezze e frequenze che possono essere opportunamente controllate.
Generalmente, nel gergo industriale, si intende un dispositivo atto alla regolazione della velocità dei motori trifase. Nell’inverter la tensione alternata della rete (trifase o monofase) viene raddrizzata in corrente continua e quindi viene riconvertita in corrente alternata trifase a frequenza variabile per alimentare il motore permettendo, di conseguenza, la gestione della velocità.
Vantaggi e Applicazioni degli Inverter Trifase
L’inverter trifase risulta ormai un azionamento indispensabile per gestire agevolmente la regolazione di portata di valvole e/o ventilatori e permettere, nel contempo, un’importante riduzione dei consumi modulando la velocità di rotazione dei sistemi ed evitando il continuo Start & Stop che creerebbe continui picchi di energia. In ultima analisi l’inverter per motore non solo amplia le performance di un motore elettrico ma ne riduce i consumi e ne allunga la vita evitando sovraccarichi e garantendo ai cuscinetti un minor stress meccanico.
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Gli inverter trovano impiego in diversi settori. Per un classico esempio di impiego di un inverter per motori trifase basti pensare agli scambiatori di calore di impianti industriali di raffreddamento che hanno visto abbassarsi enormemente i consumi con la diffusione di inverter per motori elettrici. Basta valutare che un qualsiasi centro commerciale per gli scambiatori di calore installa svariate centinaia di chilowattora e questo in pochi istanti ci permette di comprendere l’entità del risparmio e la conseguente riduzione dei tempi di ammortamento dell’investimento.
I settori di impiego degli inverter vanno dagli UPS che, per qualche minuto, riescono a tenere alimentato il nostro PC in presenza di un blackout, ai sistemi di trasmissione in continua (HVDC - High Voltage DC). Ma uno dei settori che negli ultimi anni ha visto una crescita esponenziale del loro numero è il pilotaggio, ovvero l’alimentazione, dei motori elettrici, da quelli di potenza contenuta, come le applicazioni consumer (p.e. lavatrici, compressori di frigoriferi o impianti di condizionamento), a quelli di potenza estremamente elevata come i motori per la trazione ferroviaria.
Che cos'è un inverter per motori elettrici?
Componenti e Tecnologie di Commutazione
Per il pilotaggio di motori AC trifase, l'inverter si avvale di dispositivi di commutazione quali MOSFET, che in alcuni casi sono stati sostituiti da componenti dieci volte superiori a questi ultimi, o IGBT. Si utilizzano anche semiconduttori a larga banda proibita come il carburo di silicio (SiC), che consentono di ridurre la dimensione di induttanze e capacità di contorno. Altri dispositivi possono essere utilizzati per elevatissima potenza, come i thyristor che arrivano a 5,5 kV e 2,5 kA, ma a frequenze di commutazione molto basse e con tempi di controllo di spegnimento molto lenti.
I tempi con cui questi dispositivi di commutazione reagiscono ai comandi non sono né sempre uguali né ideali. Per esempio, nello spegnimento la corrente impiega un certo tempo per ridursi a zero. Per essere certi di avviare l’accensione di uno prima che l’altro dispositivo sullo stesso ramo sia completamente spento, si introduce un tempo di pausa (tempo morto o dead time). Questo ritardo nella conduzione di uno dei dispositivi di commutazione provoca però una certa distorsione nelle tensioni di uscita che, nei sistemi più sofisticati, deve essere compensato con algoritmi opportuni.
L'Inverter Ideale e le Tecniche di Modulazione
La funzione di un inverter ideale è quella di fornire al motore una terna di tensioni alternate con andamento sinusoidale sfasate tra di loro di 120°. Questo lo si ottiene gestendo in modo opportuno i sei dispositivi di commutazione, rappresentati come interruttori. Nel controllo della corrente si possono distinguere tre livelli discreti: -Vdc, 0 e +Vdc. Di seguito verranno analizzati il funzionamento ad onda quadra e il PWM (Pulse Width Modulation) sinusoidale.
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Funzionamento ad Onda Quadra
In questa modalità, ciascun dispositivo di commutazione è acceso per π/2 (180°). La tensione di fase è formata dalla combinazione dei dispositivi di commutazione, ad esempio S1-S4 per la fase U, S3-S6 per la fase W e S5-S2 per la fase V. Il risultato è una forma d’onda “quasi quadra” a tre livelli: +Vdc/2, 0 e -Vdc/2. Questa forma d’onda, però, generata soffre di alcuni inconvenienti, presentando un’ampiezza e una velocità che non sono costanti, influenzando la performance della macchina.
PWM Sinusoidale
Con il PWM sinusoidale, l'inverter genera una serie di impulsi la cui larghezza varia secondo una logica sinusoidale. La tensione modulante è confrontata con un’onda triangolare simmetrica che è la portante. La modulazione PWM offre una qualità superiore rispetto alla modulazione ad onda quadra, anche se richiede una logica di controllo molto più complessa. Questo metodo permette di ottenere tensioni di linea più pulite.
Filtraggio in Uscita degli Inverter
La modulazione PWM, seppur vantaggiosa, può generare armoniche ad alta frequenza. Per limitare queste problematiche, lasciando solo le componenti alle basse frequenze, la soluzione tecnica prevede l’installazione di filtri LC tra l’inverter e il motore. La letteratura offre diverse soluzioni e/o topologie che possono rispondere alle diverse necessità. La scelta più semplice è il semplice inserimento di un’induttanza messa in serie.
Un altro tipo è il filtro dV/dt, con una frequenza di taglio superiore alla frequenza di switching dell’inverter. Una soluzione simile con prestazioni migliori è un filtro sinusoidale che ha la stessa struttura del filtro dV/dt ma con una frequenza di taglio molto minore, tra la frequenza AC di uscita e la frequenza del PWM dell’inverter.
Considerazioni Pratiche per l'Installazione e la Scelta dell'Inverter
Potenza e Selezione
I prezzi degli inverter variano a seconda delle tipologie. Soluzioni compatte per quadro elettrico con funzionalità scalabili possono coprire range di potenza da 0,25 a 132 Kw. Gli inverter moderni supportano tutti i bus di campo più diffusi e sono pertanto adatti a tutti gli impieghi. Esistono diversi costruttori affidabili come Omron, Siemens, ABB, Danfoss, Mitsubishi e Toshiba.
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Generalmente gli inverters sono impostati di fabbrica per funzionare con motori 400V 50Hz, oppure se sono 230V, con motori 230V 50 Hz. È fondamentale sincerarsi di queste specifiche per collegare correttamente il motore. Per una fresa con motore nuovo da 2,2 KW, ad esempio, un inverter cinese da 2,2 KW può funzionare molto bene, mantenendo il motore freddo anche a bassi giri. Si può considerare di prendere un inverter leggermente più grande della potenza nominale del motore, specialmente se il motore, essendo piccolo, ha un rendimento piuttosto basso. Per quanto riguarda la velocità, i cuscinetti del motore asincrono sono il limite più critico, non essendo specificati a meno di 6000/8000 g/min; per andare tranquilli è consigliabile un range tra i 20 e gli 80 Hz.
È sempre opportuno controllare la targhetta del motore da alimentare per verificarne la compatibilità e se è commutabile. Molti inverter sono monofase a trifase con uscita 220V trifase, come gli AT1-2200X0V 2.2KW.
Quando si richiede di avviare il motore con rampa di accelerazione e fermarlo con rampa di decelerazione, tutte le sicurezze necessarie come termica, magnetica e pulsante di blocco emergenza devono essere previste.
Protezioni e Cablaggio
È un errore comune pensare di collegare un salvamotore tra inverter e motore, rischiando che un suo intervento inopportuno danneggi l'inverter. L'inverter prima fa una conversione tensione alternata/continua e poi riconverte in alternata controllando la tensione della forma d'onda e la frequenza. Pertanto, la protezione magnetotermica del motore deve essere fatta a monte dell'inverter, e fra motore e inverter non deve esserci assolutamente niente, nemmeno dei fusibili. Molti manuali di inverter, come quello dell'Allen Bradley 1,5 kW, 400 V c.a., 3 fasi, 400Hz cod.22F-D4P2N113, raccomandano questa configurazione. Inoltre, è possibile programmare sull'inverter un intervento di protezione direttamente sulla sua corrente di uscita, limitando la corrente di sovraccarico del motore tramite appositi parametri.
Gestione dei Disturbi Elettromagnetici (EMC)
Gli inverter sono noti per essere fonte di disturbi elettromagnetici. Per mitigarli, è fondamentale che tutti i cavi, sia di alimentazione che di controllo, siano schermati. È consigliabile installare l'inverter in un contenitore metallico (dove non ci sia altro) che sia ovviamente messo a terra e schermato. Inoltre, i cavi di collegamento fra inverter e motore dovrebbero essere il più corti possibile, preferibilmente non più lunghi di 2 o 3 metri.
Non è sempre facile prevedere se ci saranno problemi di disturbi su sensori analogici con uscita 0-10 volt convertiti a 12 bit, con risoluzione intorno a 2,5 mVolts. Tuttavia, la manifestazione dei disturbi dipende molto dall'“ambiente” della macchina. Incidono molto il modo in cui è fatto il quadro elettrico, l'uso di cavi schermati, messe a terra efficaci e il passaggio dei cavi di segnale lontano dai cavi di potenza.