Inverter - Convertitori a Frequenza Variabile (VFD) - Drive

Premessa

Letteralmente un inverter è un dispositivo che converte una corrente continua in corrente alternata. Nel linguaggio dell'automazione industriale il termine inverter indica invece un variatore di velocità per motori asincroni alias convertitore di frequenza. La variazione della velocità si ottiene aumentando o diminuendo la frequenza a cui viene alimentato il motore. Inoltre, per consentire un funzionamento del motore a coppia costante, è necessario che venga mantenuto il flusso costante: l'inverter fa pertanto in modo che la tensione e la frequenza di alimentazione del motore evolvano simultaneamente e nelle stesse proporzioni. Nota: in realtà le moderne applicazioni consentono il funzionamento a coppia costante grazie anche a sofisticati controllori vettoriali di flusso.

In pratica l'inverter (o convertitore di frequenza), alimentato a tensione e frequenza fisse dalla rete, garantisce al motore, in funzione delle esigenze di velocità, la sua alimentazione a corrente alternata con tensione e frequenza variabili. La trattazione dettagliata del funzionamento degli inverter è un argomento molto complesso e complicato. Nel seguito si cercherà di dare una panoramica dei principali argomenti; si rimanda tuttavia alle guide tecniche dei principali costruttori per ulteriori maggiori informazioni.

Componenti

Il circuito di potenza è composto da un raddrizzatore e da un convertitore che, a partire dalla tensione raddrizzata, produce una tensione di ampiezza e frequenza variabili. Per rispettare la direttiva CE in materia di compatibilità elettromagnetica e le norme associate, a monte del ponte raddrizzatore viene posizionato un filtro di rete.

Fig.1 - Componenti costituenti un inverter

Il Raddrizzatore

Il raddrizzatore è generalmente dotato di un ponte raddrizzatore a diodi e di un circuito di filtraggio costituito da uno o più condensatori in funzione della potenza. Un circuito di limitazione controlla la corrente alla messa sotto tensione del variatore. Alcuni convertitori utilizzano un ponte a tiristori per limitare la corrente di spunto dei condensatori di filtraggio, caricati ad un valore più o meno uguale al valore cresta della sinusoide rete (circa 560 V in 400 V trifase).

L'ondulatore

Il ponte ondulatore utilizza sei semiconduttori di potenza (solitamente degli IGBT) e dei diodi di ruota libera associati; solitamente comprende:

· un raddrizzatore con condensatori di filtraggio

· n ondulatore a 6 IGBT e 6 diodi,

· un chopper collegato ad una resistenza di frenatura (generalmente esterna al prodotto),

· i circuiti di comando dei transistori IGBT,

· un'unità di controllo organizzata intorno ad un microprocessore che garantisce il comando dell'ondulatore,

· sensori interni per misurare la corrente motore, la tensione continua presente ai morsetti dei condensatori e in alcuni casi le tensioni presenti ai morsetti del ponte raddrizzatore e del motore oltre che tutte le grandezze necessarie al controllo e alla protezione dell'insieme moto-variatore,

· un'alimentazione per i circuiti elettronici basso livello.

La variazione della velocità

La generazione di tensione di uscita si ottiene mediante modulazione della tensione raddrizzata attraverso impulsi la cui durata viene modulata in modo tale che la corrente alternata risultante sia il più possibile sinusoidale.

Fig.2 - Caratteristica tensione e corrente di un inverter

Questa tecnica conosciuta con il nome di PWM (Modulazione a Larghezza d'Impulsi) condiziona la rotazione regolare a bassa velocità e limita i riscaldamenti.

La frequenza di modulazione è un compromesso: deve essere sufficientemente elevata per ridurre l'ondulazione di corrente e il rumore nel motore senza naturalmente aumentare le perdite nel ponte ondulatore e nei semi-conduttori.

Modi di funzionamento

Funzionamento a coppia costante

Finché la tensione fornita dal variatore può evolvere e nella misura in cui il flusso nella macchina è costante (rapporto U/f costante), la coppia motore sarà grosso modo proporzionale alla corrente e la coppia nominale della macchina potrà essere ottenuta sull'intera gamma di velocità. Tuttavia il funzionamento prolungato alla coppia nominale a bassa velocità è possibile solo se è prevista una ventilazione forzata del motore che richiede quindi un motore speciale. I variatori moderni dispongono di circuiti di protezione che stabiliscono un'immagine termica del motore in funzione della corrente, dei cicli di funzionamento e della velocità di rotazione.

Funzionamento a potenza costante

Quando la macchina è alimentata a tensione nominale è ancora possibile aumentarne la velocità alimentandola ad una frequenza superiore a quella della rete di distribuzione. Tuttavia, dal momento che la tensione di uscita del convertitore non può superare quella del motore, la coppia disponibile si abbassa in modo inversamente proporzionale all'aumentare della velocità. Al di sopra della velocità nominale, il motore non funziona più a coppia costante, ma a potenza costante (P = C*w), fino a quando la caratteristica nominale del motore lo consente. La velocità massima è limitata da due parametri:

· il limite meccanico legato al rotore

· la riserva di coppia disponibile

Per una macchina asincrona alimentata a tensione costante, dal momento che la coppia massima varia con il quadrato della velocità, il funzionamento a potenza costante è possibile solo all'interno di una gamma limitata di velocità determinata dalla caratteristica di coppia della macchina.