Invertitore: generazione della tensione trifase

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1 U Invertitore: generazione della tensione trifase Il sistema così creato mostra un andamento della tensione a blocchi. U V W t t t Mediante l'inserzione temporalmente sfalsata si genera il sistema a tensione trifase. La tensione di uscita dipende dalla velocità alla quale viene eseguita la sequenza d'inserzione. Questa è una rappresentazione semplificata. Nel comando continuo qui rappresentato dei transistor IGBT, le perdite sarebbero troppo elevate, infatti la tensione di uscita viene regolata mediante modulazione. 1

2 Modulazione / Pulsazione Rappresentazione della tensione d'uscita a frequenza variabile nella fase U, generata in seguito alla modulazione / pulsazione. Il numero di cicli per unità di tempo determina la frequenza della tensione di uscita. La tensione di uscita aumenta con l'aumentare della frequenza di uscita fino al raggiungimento della tensione nominale del motore. Osservazione della fase U 2

3 Modulazione della larghezza degli impulsi (PWM) Osservazione della fase U 3

4 Modo di funzionamento dell'inverter A seconda dell'impiego, è possibile impostare tramite dei codici i seguenti modi di funzionamento: Controllo caratteristica U/f con U~f 2 : Caratteristica quadratica per impieghi nei settori degli azionamenti per pompe e ventilatori. Controllo vettoriale: Controllo sensorless della velocità: impiego per azionamenti di avvolgimento, dove il valore di riferimento viene interpretato come valore di riferimento della coppia. Controllo caratteristica U/f con U~f: (impostazione Lenze standard) Impieghi: Applicazioni con più motori in parallelo, motori a riluttanza, posizionamento, avanzamento e azionamenti di sollevamento. 5

5 Controllo della caratteristica U / f Tensione U Vertice U / f U Nom Range regolaz. armatura f Nom Range di deflussaggio del campo Frequenza f L'impostazione del vertice U / f (frequenza nominale U/f) è liberamente selezionabile, però dipende dai dati riportati nella targhetta del motore trifase. I dati della targhetta rilevanti sono la tensione nominale e la frequenza nominale. 6

6 Controllo della caratteristica U / f Motori trifase con tensione nominale pari a 230/400 V vengono azionati da inverter a 230 V con collegamento a triangolo e da inverter a 400 V con collegamento a stella. Frequenza nominale = 50 Hz. In caso di impiego dell'inverter all'estero, osservare o calcolare le impostazioni seguendo le indicazioni riportate nelle istruzioni operative. 7

7 Tensione U 400 V Controllo della caratteristica U / f 230 V 50 Hz 87 Hz Frequenza f Per aumentare il rendimento di potenza degli azionamenti, i motori a 230/400 V con collegamento a triangolo vengono azionati da inverter a 400 V e il vertice U/f viene spostato su 87 Hz. La velocità e la potenza dell'azionamento di uscita aumentano in questo modo operativo secondo un fattore di 3. 8

8 Andamento della coppia nel controllo della caratteristica U / f (funzionamento a 50 Hz) Tensione U U Nom La coppia erogata è costante solo nel range di regolazione dell'armatura. Coppia M / M N Potenza P / P N 1 f Nom Frequenza f Nel range di deflussaggio del campo, la coppia diminuisce, con fattore. M ~ 1 / f Range di regolaz. armatura M = cost Frequenza f Range di deflussaggio del campo P = cost Nel range di deflussaggio del campo la potenza rimane costante. 9

9 Andamento della coppia nel controllo della caratteristica U / f (funzionamento a 87 Hz) Tensione U 400 V 230 V Coppia M / M N Potenza P / P N 1 3 Principi della tecnologia degli inverter 50 Hz 87 Hz Frequenza f La coppia erogata rimane costante nel range di regolazione dell'armatura fino a 87 Hz. Nel range di deflussaggio del campo la coppia diminuisce con fattore M ~ 1 / f Range di regolaz. armatura M = cost Frequenza f Range di deflussaggio del campo P = const Nel range di deflussaggio del campo la potenza rimane costante. 10

10 Andamento della coppia nel controllo della caratteristica U / f (funzionamento a 87 Hz) A causa della coppia costante fino alla frequenza limite di 87 Hz, il campo di regolazione aumenta del fattore 3. La potenza erogata aumenta del fattore 3. La velocità dell'azionamento aumenta del fattore 3. Attenzione: anche la corrente del motore aumenta del fattore 3, il che significa che anche la selezione dell'inverter andrà eseguita tenendo conto di questa situazione, ovvero si dovrà selezionare una corrente dell'inverter maggiore o pari alla corrente nominale del motore. 11

11 L'azionamento trifase in funzione: la corrente del motore Corrente attiva I W Corrente apparente I mot Funz. con carico nom. La corrente apparente è la corrente misurabile nei conduttori del motore. La corrente del motore dipende dal carico applicato al motore. Corrente reattiva I 0 Funz. a vuoto Indipendentemente dalla velocità e dal carico, la componente reattiva della corrente del motore deve essere mantenuta costante. 12

12 Innalzamento di U min (controllo caratteristica U/f) Tensione U U Nom f Nom Innalzamento di U min Frequenza f Alle basse frequenze per compensare le perdite dello statore, si aumenta artificiosamente la tensione U min. In questo modo si bilanciano le perdite ohmiche dello statore ed aumenta la coppia erogata. Attenzione nei motori autoventilati e nel funzionamento a basse velocità, sussiste il pericolo di riscaldamento eccessivo del motore. Prevedere ventilatori esterni e/o una protezione termica. 13

13 Modulazione vettoriale / orientamento di campo Nella modulazione vettoriale viene utilizzato un modello matematico del motore. La corrente presente nello statore del motore viene misurata e viene scomposta nei vettori corrente rotore e corrente reattiva, dove la corrente rotore genera la coppia motrice la corrente reattiva genera il flusso della macchina. Con l'aiuto di entrambe queste componenti della corrente, è possibile intervenire in modo indipendente sia sulla coppia, sia sul flusso magnetico, ottenendo così una regolazione molto dinamica. 14

14 Modulazione vettoriale / orientamento di campo U ω I W I S I M θ M ~ I S x Φ L sinθ Φ L ω = Velocità angolare I S = Corrente statore I B = Corrente creatrice del flusso Φ L = Flusso rotore I W = Corrente attiva/ Corrente rotore 15

15 Funzionamento dell'inverter in modo generatore -n II M I n Funzionamento in modo motore m III -M IV II M I m -n III -M n IV Funzionamento in modo generatore Nel funzionamento in modo generatore, l'energia generata dal carico viene recuperata nei condensatori del DC bus. 16

16 Direzione dell'energia direzione dell'energia - modo motore L1 L2 L3 +U G -U G U V W Motore M 3~ direzione dell'energia - modo generatore L1 L2 L3 +U G Motore U V M W 3~ -U G Nel funzionamento in modo generatore, il recupero dell'energia determina un aumento della tensione del DC bus. Poiché il raddrizzatore d'ingresso è del tipo non controllato, non è possibile eseguire il recupero diretto nella rete. Affinché nel DC bus non si sviluppi una tensione eccessiva, oltre la soglia consentita, viene utilizzato un modulo di frenatura. 17

17 Inverter con modulo (chopper) di frenatura + Ug Motore L1 L2 L3 Bch R B U V W M 3~ - Ug R B = Resistenza di frenatura Bch = Chopper di frenatura (transistor di frenatura) In seguito ad un aumento della tensione del DC bus, interviene il transistor di frenatura. Il DC bus viene quindi caricato con la resistenza di frenatura. Nella maggior parte degli inverter il transistor è integrato, bisogna prevedere la resistenza esterna di frenatura. 18

18 Azionamenti di pompe e ventilatori M Nom U No,m Coppia M M ~ f 2 Tensione U f Nom n Curva caratteristica del carico Frequenza f Nel caso di pompe e ventilatori, con la caratteristica U / f quadratica è possibile raggiungere un risparmio di energia, in quanto la coppia richiesta dall'azionamento si riduce notevolmente nella gamma di basse frequenze. U ~ f 2 Caratteristica U / f di comando associata U ~ f 2 f Nom Frequenza f 19

19 Inverter Lenze 8200 vector/ 8200 motec Breve rassegna sulle serie di inverter Lenze: 8200 vector 8200 motec 20

20 Inverter Lenze 8200 vector/ 8200 motec 400 Potenza [kw] ,25-2,2 kw 1,0 0, kw 0.25 / 0.37 kw kw 1~ 230 V 8200 smd 1/3~ 230 V 3~ 400 V 8200/9300 Vector 1~ 230 V 3~ 400 V Motor Inverter 8200 Motec 21

21 Componenti di un sistema Mains filter 4 E- module Mains filter 4 Drive controller 2 V Mains I Mains V DC n,ϕ Control f Mains ϑ 4 Mains Mains filter E/Rmodule 4 3 Drive controller 1 4 I AR Motor filter at frequency inverter 4 P on P back Brake chopper Braking resistor V Motor Braje Motor Gearbox Load η Motor n 1 M 1 i n 2 M 2 I Motor η J Gearbox Rotor P 1 P2 J J Load Gearbox P Motor Clutch P brake 22

22 Tipologie dei drives Azionamento DC - Convertitore di potenza - Motore DC Azionamento trifase - con / senza inverter - Motore asincrono Servosistema trifase - servoinverter - Servomotore sincrono - Servomotore asincrono 23

23 Caratteristiche dei drives Caratteristicche Azionamento DC Inverter Servoinverter Regolazione coppia Qualità della coppia Dinamica Campo regolazione velocità Qualità della velocità Capacità di sovraccarico Recupero in rete EMC Costi ++per grandi potenze + + Robustezza Funzionamento multimotore Gruppi di drive Manutenzione

24 Cenno sui motori Brushless Il motore Brushless è nato nei primi anni 80 Esso è derivato dal motore in corrente continua La differenza sostanziale è che non ha il collettore meccanico non ha quindi le spazzole I magneti permanenti non sono incollati sullo statore ma sono nel rotore Per via di questo fatto necessita di un trasduttore di posizione elettronico per sincronizzare la posizione del rotore con gli avvolgimenti di statore. Per il controllo vengono usati Resolver e Ecncoder incrementali con tacche di sincronizzazione oppure encoder SinCos

25 Cenno sui motori Brushless