L ALIMENTAZIONE DEI MOTORI ASINCRONI

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1 White Paper L ALIMENTAZIONE DEI MOTORI ASINCRONI Author: Frack Weibissiger

2 INFORMAZIONI GENERALI I motori asicroi trifase soo macchie elettriche molto robuste, che ecessitao di poca mautezioe, ampiamete utilizzate el settore idustriale. Si prestao a svariate applicazioi quali, ad esempio, pompe, vetilatori, sistemi modulari complessi, macchie fuzioati a regimi molto bassi e di precisioe, macchie cietiche sofisticate o macchie ad altissima poteza. Grazie ai forti sviluppi dell'elettroica di poteza e ai costi coteuti dei motori asicroi, i molte aree di applicazioe i cui prima si utilizzavao motori a correte cotiua oggi si utilizzao motori asicroi collegati a variatori di velocità. Per questo motivo, i motori asicroi ecessitao di essere protetti da u UPS, secodo il processo che alimetao: ua improvvisa iterruzioe dell alimetazioe, ifatti, potrebbe daeggiare la macchia e compromettere la qualità del prodotto. I motori asicroi vegoo geeralmete alimetati dallo statore che iduce la correte al rotore. Per questo motivo soo ache deomiati motori o macchie a iduzioe. Ua macchia asicroa viee geeralmete impiegata come motore, ma talvolta ache come geeratore. No essedo soggetto ai problemi di accoppiameto, di cotrollo della velocità e di tesioe tipici delle macchie sicroe, ifatti, il geeratore asicroo viee utilizzato per produrre elettricità elle piccole istallazioi che o richiedoo supervisioe umaa. Viee ioltre utilizzato ei sistemi di freatura mediate assorbimeto di eergia quado la macchia è collegata a ua rete di frequeza costate (ad esempio: capacità di assorbimeto di u carico discedete). La freatura a recupero co regolazioe della velocità di freata ecessita di u alimetazioe a frequeza variabile, ossia di variatori. Allo stesso modo, grazie all elettroica di poteza, i motori a iduzioe vegoo impiegati sempre più spesso come geeratori. Il caso più tipico e diffuso è quello delle turbie eoliche. Il presete documeto si propoe di forire ua paoramica o esaustiva dei problemi riscotrabili durate il dimesioameto dell UPS per l alimetazioe dei motori a iduzioe, co o seza variatori di velocità. Il documeto o è tuttavia da itedersi fializzato alla progettazioe dell impiato o alla scelta dell UPS. Motori o collegati a u variatore Attualmete, ua macchia asicroa trova spesso applicazioe come motore co ua fascia di poteza che va da 2

3 pochi Watt a parecchie cetiaia di kw. Per applicazioi di poteza superiore a qualche kw, i motori asicroi vegoo alimetati esclusivamete da sistemi AC trifase. La particolare sesibilità del processo o la atura critica di determiate applicazioi possoo richiedere che l alimetazioe sia forita da u UPS. Durate il processo di avvio, la correte i igresso può raggiugere valori rms da 4 a 7 volte quelli della correte omiale, metre la coppia aumeta da 1,5 a 2,4 volte rispetto alla coppia omiale. Il tempo di avviameto, ioltre, dipede dall ierzia della massa mobile, dalla velocità rotazioale fiale e dalla coppia di accelerazioe del motore, tato che i valori della correte di sputo possoo essere acora maggiori, fio a 10 volte il valore rms omiale. Questi alti picchi di correte e l impedeza di liea provocao cadute di tesioe ella liea di distribuzioe, soprattutto per i carichi i prossimità del motore. Esistoo vari modi per limitare le correti di avviameto, i più comui soo: Avviameto Y/ ; Autotrasformatore; Soft starter. Per alcue applicazioi molto speciali si può optare ioltre per u reostato applicato al rotore. La scelta è legata al giusto compromesso tra applicazioe e costi. Tabella 1 Correti di avviameto e coppie i base ai sistemi di avviameto Correte di avviameto Coppia di avviameto Avviameto diretto o-lie (D.O.L.) 4-7 I 1,5-2,4 T Y/ 1,6-2,8 I 0,5-0,8 T Autotrasformatore 4-7 (Vs/V) I 1,5-2,4 (Vs/V) 2 T Soft starter 4-7 (Vs/V) I 1,5-2,4 (Vs/V) 2 T Variatore di velocità 1-1,5 I 1-1,5 T Dove Vs è la tesioe applicata ai termiali del motore durate l avviameto, V, I e T soo rispettivamete la tesioe omiale, la correte e la coppia omiali. Il processo di avviameto sottopoe il motore elettrico a stress termico, tato che avviameti particolarmete 3

4 lughi o frequeti possoo daeggiarlo. Ridurre la correte di avviameto, d altro cato, o è idicato perché se si riduce troppo la coppia si rischia di prolugare ulteriormete i tempi di avviameto. Per quato riguarda il fattore di poteza, è 0,1 i asseza di carico e da 0,5 a 0,9 o più (spesso da 0,75 a 0,85) i fuzioameto omiale. Valore che, tuttavia, è soggetto a cosiderevoli variazioi i virtù delle caratteristiche del motore (umero di poli e poteza). Le prestazioi dell UPS a regime stazioario, i fase di alimetazioe di u motore a iduzioe, soo vicie allo stadard i quato le correti soo siusoidali e bilaciate. È comuque importate cooscere i picchi di correte i igresso e il fattore di poteza prima di dimesioare l UPS. DIMENSIONAMENTO DELL UPS CHE ALIMENTA I MOTORI A INDUZIONE Per procedere al corretto dimesioameto dell UPS è bee disporre di ua serie di dati tecici riguardati il motore. a) Cosideriamo il caso di 10 motori a iduzioe massimo due di essi co avviameto simultaeo (ache seza alimetazioe di rete) valori omiali del motore: P V / f 45 kw 400V / 50 Hz P.F. 0,87 Redimeto (η) 93,4% Is 6,5 I T s 2,8 T D.O.L. Avviameto diretto o-lie U UPS che alimeta i motori solo a regime stazioario dovrebbe essere dimesioato per 4

5 10 P W S 554kVA P. F. η 0,87 0,934 Se si cosidera l avviameto P 45000W I 80A 3 V P. F. η 1, ,87 0,934 I s 6.5 I 520A ( I 2 ) + ( I 8) ( 520 2) + ( 80 8) A I t s 1680 Stot 3 V It 1164kVA Cooscedo il trasitorio di avviameto è possibile calcolare la capacità di sovraccarico dell UPS (geeralmete 1,5 S per 1 miuto a V ). La poteza dell UPS diveta: S S / 1, /1,5 776kVA kva. UPS tot 800 Essedo di breve durata, la riduzioe del fattore di poteza (P.F.) durate l avviameto può essere igorata. Occorre verificare ulteriormete il valore della correte di sputo per cofermare la compatibilità co quella dell UPS. Per la preseza di feomei trasitori il valore della correte di picco è di circa 1,7, ivece del tipico 1,41 delle forme d oda siusoidali. ( I 2) 1,7 + ( I 8) 1,41 A I ˆ t s 2670 Iˆ t SUPS 3 V 1, kVA 800kVA 3,5 Il valore 3 che divide Î t, ella formula sovrastate è la correte di cortocircuito fase-fase, per uità, che può forire l UPS. Si differezia dalla correte fase-eutro, di 3,5 ed è utilizzata i quato i motori soo alimetati seza eutro. Qualora o sussista la ecessità di avviameto durate le iterruzioi dell alimetazioe di rete, è possibile ache igorare la correte di avviameto per la scelta dell UPS e cosiderare soltato quelle omiali. Le correti di avviameto, tuttavia, devoo essere cosiderate per il dimesioameto del by-pass. b) Cosideriamo gli stessi motori del caso a) ma co avviameto Y/. I ( I 2 ) 0,4 + ( I 8) ( 520 2) 0,4 + ( 80 8) A S 3 V I kva t s 1056 tot t ,4Is0,4*6,5I2,6 come riportato ella tabella1. 5

6 SUPS Stot / 1,5 732 /1,5 488kVA 500kVA ( I 2) 1,7 *0,4 + ( I 8) 1,41 A I ˆ t s 2325 Iˆ t SUPS 3 V 1, kVA 600kVA 3 I questo caso la poteza miima dell UPS sembra essere 600 kva. Tale valore è compatibile co il caso a) quado la poteza apparete a regime stazioario richiesta di u UPS era 600 kva. Il cliete, o il tecico di riferimeto, deve verificare che la coppia di avviameto Y/ di 0,95 T sia sufficiete per avviare il carico i u tempo compatibile per il motore a iduzioe. Servizi La orma IEC distigue 10 diverse tipologie di fuzioameto dei motori a iduzioe i base alla poteza e al tempo di erogazioe della stessa. Si tratta dei cosiddetti servizi. Di seguito è riportato u esempio delle 3 tipologie di fuzioameto o servizi più utilizzati el settore idustriale, il cui impatto sull UPS è legato alla correte richiesta per l alimetazioe. Il servizio S1 idica u fuzioameto a poteza omiale per u tempo illimitato. Gli altri servizi geeralmete richiedoo poteze maggiori per u tempo limitato. È di grade importaza, al fie di cotrollare lo stress termico sull UPS, cooscere il tipo di ciclo di fuzioameto a cui il motore è destiato a lavorare. I motori possoo essere utilizzati i diversi cicli di fuzioameto. Di seguito soo illustrati quelli più comui: 6

7 Figura 1 - S1: Ciclo di fuzioameto cotiuo (N: Fuzioameto a carico costate; θ: temperatura) Figura 2 - S2: Ciclo breve (N: Fuzioameto a carico costate; θ: temperatura) Figura 3 - S6: Fuzioameto di tipo cotiuo periodico (N: Fuzioameto a carico costate; V: N Fuzioameto i asseza di carico; θ: temperatura; Fattore di durata ciclica *100% ) N + V Motori alimetati da variatori Per motivi ecoomici e di robustezza, la scelta di utilizzare motori a iduzioe isieme a variatori elettroici trova sempre più ampia applicazioe. 7

8 Soft starter Formato da due tiristori accoppiati (o u triac). Ritardado l istate di accesioe del tiristore a ciascua alteraza, è possibile ridurre la tesioe rms applicata allo statore del motore. Figura 4 - Soft Starter Avedo u campo di variazioe della velocità molto debole sui ormali motori a gabbia di scoiattolo, il soft starter viee più comuemete utilizzato per la fase di avvio su macchie aveti coppia resistete co adameto parabolico C f(v) α. v² Per esempio: vetilatori, pompe. Nei due esempi, il cotrollo della velocità può avere u campo molto limitato. Si tratta di ua capacità di variazioe della velocità che geeralmete è limitata alle uità di piccole dimesioi. Lo svataggio è rappresetato dall'aumeto delle perdite di calore sia el rotore sia ello statore, co coseguete rischio di sovradimesioameto del motore. Ifie, il soft starter è u geeratore di armoiche che viee applicato pricipalmete elle pompe di azioameto co poteza omiale del motore dai 3 ai 630 kw. La limitazioe della correte di avviameto può essere regolata tra 2 e 5 volte la correte omiale. Armoiche geerate dal soft starter Quado la forma della tesioe o è siusoidale, ossia i codizioi di parzializzazioe della tesioe, vi è sempre la preseza di armoiche. L assorbimeto del motore uitamete alla limitazioe di coduzioe operata dal soft starter causa la preseza della 3 a, 5 a, 7 a ; 9 a, 11 a o più armoiche co coseguete impatto sulla poteza dell UPS. 8

9 Fattore di poteza Le forme della correte e della tesioe soo be lotae dall'essere siusoidali i quato soo tagliate per ridurre gli alti picchi di correte i igresso, icompatibili co l impiato a mote. Ache il fattore di poteza è legato alla forma: la stessa poteza attiva forita dalle forme d oda o siusoidali ha u fattore di poteza iferiore rispetto a quello forito dalle ode siusoidali.. Le figure riportate di seguito mostrao forme di correte che si avviciao o allotaao dalla forma siusoidale i base al valore di tesioe rms ecessario. Esempi di forme d oda: Figura 5 - Comportameti del soft starter su carico resistivo (sopra) e iduttivo-resistivo (sotto) 9

10 Figura 6 - Avviameto diretto (D.O.L.) seza carico (sopra), avviameto co soft starter e zoom (sotto) Le curve illustrate mostrao che, co u soft starter: - la correte di sputo tramite alimetazioe è due volte iferiore rispetto a quella di avviameto D.O.L.; - la correte di avviameto ha forti compoeti armoiche 5, 7, 11 e 13. La terza armoica e i multipli o soo riportati ell esempio i quato è u collegameto a stella. Per garatire ua alimetazioe di qualità (THD U < 5%) ai carichi i parallelo co il soft starter, geeralmete l UPS deve essere declassato del 20%. Pertato, u UPS da 100 kva sarà idoeo per alimetare u carico dotato di soft starter fio a u massimo di 80 kva. Il soft starter o provoca alcu rischio di reiiezioe di poteza ell UPS o ella rete. Picchi di correte i igresso Il soft starter riduce il picco di correte i igresso i u rapporto (V S /V ). Ciò sigifica che l avviameto potrebbe richiedere all UPS correti addirittura maggiori della sua capacità di sovraccarico, le quali devoo essere teute i cosiderazioe i fase di dimesioameto. 10

11 Variatori di velocità Il variatore di velocità, così come l UPS, è costituito da u modulo AC/DC e u modulo DC/AC. I dispositivi dispoibili sul mercato soo svariati, ossia: stad aloe o itegrabili elle uità di distribuzioe dell alimetazioe (PDU); u modulo AC/DC cetralizzato per molti moduli AC/DC (uo per motore). La secoda soluzioe è geeralmete idoea per applicazioi ad alta poteza quali i lamiatoi. Le tre topologie più utilizzate soo rispettivamete: a 2 quadrati (l eergia può fluire esclusivamete dalla rete al motore); co reostato di freatura (l eergia può fluire sia i etrata che i uscita dai motori e viee dissipata i u reostato sul bus DC); a 4 quadrati (l eergia può fluire sia i etrata che i uscita dai motori e viee reimmessa i rete) ache ota come Active Frot Ed (Errore. L'origie riferimeto o è stata trovata.7). Figura 7 - Variatori di velocità (iclusi il reostato di freatura e l'active Frot Ed come esempio) Impatto sull alimetazioe Variatore 1 (raddrizzatore esafase come stadio di igresso) Il raddrizzatore co u pote a 6 tiristori provoca l impatto seguete sulla rete di eergia elettrica: 11

12 geerazioe di correti armoiche; fattore di poteza d igresso da 0,8 a 0,9 o da 0,7 a 0,8 i caso di raddrizzatore moofase; la preseza di tacche di commutazioe. Esempi: Alimetazioe trifase - correti di igresso raddrizzatore co u pote a 6 tiristori : Alimetazioe moofase - correti di igresso raddrizzatore a tiristori: Variatore 2 (raddrizzatore IGBT come stadio di igresso) Questo esempio riguarda u variatore siusoidale e fattore di poteza d igresso uitario che immette ella rete solo armoiche ad alta frequeza e bassa ampiezza. I pratica la distorsioe armoica totale (THD I ) di correte i igresso risultate si assesterà attoro al 5%. D altra parte, la orma IEC relativa al variatore di velocità ammette u valore THD I d igresso massimo fio al 48%. Per ridurre le armoiche, ua strategia possibile può cosistere el pulire la distribuzioe dell alimetazioe utilizzado u filtro passivo a T (L-C-L) che elimii le armoiche di frequeze prossime al valore khz o filtri attivi. Il pote di igresso utilizza la tecologia PMW (Pulse Width Modulatio) che geera disturbi ad alta frequeza sulla rete e geeralmete richiede l impiego di u filtro EMC che di solito o iflueza l UPS a mote. 12

13 Se l alimetazioe è forita da u UPS, può essere ecessario iserire u iduttaza tra UPS e variatore di velocità. È possibile utilizzare la fuzioalità di reversibilità per reimmettere i rete l eergia di freatura proveiete dal motore. Questo fattore deve essere cosiderato al mometo della scelta dell UPS. Dimesioameto degli UPS che alimetao u variatore di velocità Occorre iazitutto cosiderare la preseza di tutte le armoiche utilizzado appositi metodi di valutazioe. Si tratta di ua questioe importate che potrebbe ifluezare le prestazioi dell UPS i quato ua preseza sigificativa di correti armoiche geera la distorsioe della tesioe di uscita dell UPS. Ioltre, vista la ormale capacità di sovraccarico del variatore di velocità occorre cosiderare tutte le correti di avviameto, che i geere soo al massimo 1,5 volte la correte omiale. Attualmete soo dispoibili sul mercato UPS di diverse prestazioi, sia tradizioali co u trasformatore sia co la uova tecologia trasformerless. Per garatire ua alimetazioe di qualità (THD U < 5%), i geere, l UPS co u trasformatore deve subire u declassameto del 40%, metre l UPS co trasformerless può fuzioare a pieo carico. Pertato, u UPS da 100 kva può alimetare u carico costituito dal variatore di velocità che a sua volta alimeta motori asicroi fio a u massimo di 60 kva. Ove sia ammesso u valore THD U maggiore, il fattore di declassameto può essere ridotto. U altro fattore molto limitate è ioltre la possibilità che l eergia sia reimmessa ella rete tramite l UPS, i quato esso geeralmete o è progettato per gestire questo tipo di situazioe. Per quato riguarda i servizi, occorre teere i cosiderazioe gli effetti dello stress termico sui vari compoeti dell UPS. Armoiche Quasi tutti i variatori producoo u alta percetuale di armoiche della tesioe di igresso. Queste armoiche di correte geerao ua distorsioe ella tesioe di uscita dell UPS. 13

14 La regolazioe della tesioe di uscita dell UPS deve compesare gli effetti delle armoiche e garatire la stabilità del sistema (UPS + variatore + motore + carico). La preseza di armoiche, così come quella delle correti di avviameto, redoo ecessario u declassameto dell UPS al fie di garatire u fuzioameto stabile e u valore massimo del 5% di distorsioe della tesioe di uscita. Il ormale fattore di declassameto per applicazioi idustriali si aggira attoro al 40%. La distorsioe di tesioe geera forti correti ei codesatori del filtro di uscita dell UPS e il declassameto ha ache lo scopo di proteggere questi compoeti. L applicazioe di soluzioi di filtraggio delle armoiche i igresso del variatore di velocità cosete di ridurre sigificativamete il declassameto dell UPS. Sovraccarichi motore e cortocircuiti del variatore Gli odieri variatori di velocità proteggoo il motore dai sovraccarichi limitado le correti fio a 1,5 volte circa la correte omiale, per u miuto ogi dieci o cique miuti. Pertato, è sufficiete che l UPS supporti sovraccarichi che si aggirao attoro al 150%, la cui durata esatta dipede dal tipo di applicazioe. Dato che i variatori di velocità o cosetoo sovraccarichi oltre il 150%/1 miuto a 25 C e 30s a 30 C, l UPS può lavorare a pieo carico. Sovraccarichi superiori richiedoo fattori di declassameto dell UPS. Se il variatore di velocità va i cortocircuito, l UPS limita la correte; è ecessario pertato cotrollare la selettività tra protezioe del variatore di velocità e correte di cortocircuito dell UPS. Picchi di correte durate l avviameto I variatori di velocità cosetoo di evitare i picchi di correte i igresso, ma, d altra parte, la ecessità di avviameti rapidi potrebbe richiedere sovraccarichi temporaei fio a 1,5 volte la correte omiale. La formula riportata di seguito o cosidera alcu declassameto per sovraccarico del 150% besì il sovraccarico permaete ammesso di 1,1 C. Nel caso di correti o siusoidali, occorre cosiderare la distorsioe totale delle armoiche: Irms I1 (1 + THDI 2 ) co Pmotore I1 1,1. 3. U η motore 1. η var iatore 14

15 P motore : Poteza omiale del motore U: Tesioe di alimetazioe tra le fasi η motore : Redimeto motore η variatore: Redimeto variatore di velocità La tabella riportata di seguito mostra i calcoli e gli UPS ecessari per alimetare u solo motore dello stesso tipo di quello illustrato el primo esempio del presete documeto. Variatore di velocità esafase I I 1,1 η 80A 1,1 0,9 1 var iatore 98A 2 2 I rms I1 1+ THDI 98A 1+ 0,32 103A S iatore 3V I rms 71kVA var Suppoedo che η variatore 90 % e il sovraccarico temporaeo del variatore di velocità siao compatibili co l UPS. È iteressate otare che: u UPS scelto solo per la correte omiale del motore sarebbe stato da 56 kva 2 ; per esperieza, è opportuo scegliere u UPS del 67% maggiore rispetto alla poteza omiale motore per mateere il THD U miore del 5%, ossia u UPS da 93 kva. Fattore di poteza di igresso del variatore di velocità Il fattore di poteza può variare eormemete, i base al modello di variatore. È cosigliabile idicare co precisioe il modello di variatore per evitare iutili declassameti. Reimmissioe di eergia 2 P / P.F. 45 kw / 0,9 56 kva 15

16 Alcui variatori di velocità soo dotati di ua capacità di reimmissioe dell eergia di freatura ella rete che deve essere cosiderata co attezioe i quato gli UPS, i geere, o soo progettati per gestirla. La capacità dell UPS di riassorbire questo tipo di eergia dipede dal livello di carica delle batterie collegate direttamete al bus DC. Il rovescio della medaglia è l eccessivo stress a cui soo sottoposte le batterie i caso di eveti troppo frequeti; o si tratta di ua soluzioe, ifatti, besì di u modo per ovviare alla situazioe che o risolve la causa del problema e che dovrebbe pertato essere applicato co parsimoia ed oculatezza. Cicli e avviameti La preseza di cicli di carico è tipica dei motori alimetati tramite variatore di velocità e, a secoda della loro ampiezza, durata e frequeza, certi compoeti dell UPS soo sottoposti ad ivecchiameto precoce (ad esempio: batterie, IGBT ). I preseza di cicli, ifatti, l UPS deve fare geeralmete ricorso alle batterie per tetare di compesare la caduta di tesioe del bus DC. Qualora o si tega sufficietemete coto di ciò durate il dimesioameto dell UPS, si rischierebbe il progressivo esaurimeto e, a lugo termie, l ivecchiameto precoce delle batterie. U modo efficace per ovviare a questi icoveieti cosiste ell impiego di u dispositivo che matega costate la tesioe DC e reagisca rapidamete alle richieste di eergia, ossia u dispositivo che preseti le caratteristiche tipiche dei sistemi ad accumulo di eergia co volao ad alta velocità. Il modo migliore per otteere u lugo tempo di autoomia e la stabilità della tesioe DC è quello di avere etrambi, batteria e volao, collegati i parallelo. Feomei simili si verificao durate l avviameto, sebbee questa procedura i tal caso sia molto meo frequete; tato che fio a 10 cicli di avviameto equamete distribuiti durate la giorata soo da cosiderarsi accettabili. Fuzioameto da batteria Qualora i processi sopra citati avvegao i asseza di rete a mote dell UPS, lo stress sulla batteria risulta peggiorato per la macaza di u raddrizzatore a supporto della batteria che alimeti l iverter dell UPS. 16

17 White Paper 07/2010 Author: Frack Weibissiger Idustrial Marketig Maager Head Office SOCOMEC UPS Strasbourg 11, route de Strasbourg B.P F Hutteheim Cedex Frace SOCOMEC UPS Vicetia Via Silla, 1/ Isola Vicetia (VI) Italy Sales, Marketig ad Service Maagemet SOCOMEC UPS Paris 95, rue Pierre Grage F Foteay-sous-Bois Cedex Frace

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