Che cosa è un convertitore di frequenza?
Un azionamento a frequenza variabile (VFD) è un dispositivo di controllo elettronico utilizzato per fornire un controllo della velocità regolabile per motori AC e DC. I tipi più comuni di motori AC sono i motori a induzione AC o i motori asincroni. I vantaggi dell'utilizzo di un VFD sono il risparmio energetico per le applicazioni di ventole e pompe HVAC, il miglioramento della coppia del motore e del controllo della velocità nelle applicazioni industriali e una migliore protezione del motore.
Dimensioni del motore per il funzionamento VFD:
I variatori di frequenza possono azionare motori che vanno da ¼ di cavallo a 120 volt monofase a 20,000 kilowatt a 11,000 volt trifase. I motori industriali sono in genere trifase e la tensione più comune negli Stati Uniti è 480 V. Altre tensioni comuni sono 230, 2300 e 4160 V. Il motore è progettato per funzionare con una varietà di tensioni a seconda dei poli del motore.
I motori sono progettati per funzionare a una velocità costante a seconda del numero di poli nel motore. La frequenza della tensione fornita al motore determina la velocità del motore. Questa velocità è una funzione della frequenza applicata moltiplicata per 120 divisa per il numero di poli per fase.
Come un VFD modifica la velocità di un motore:
I VFD controllano i motori variando la frequenza tra 0 e 60 cicli o Hertz al secondo. Possono anche modificare le frequenze al di fuori della banda standard di 0-60 Hz fino a 600 Hz. Una volta superati i 600 Hz, l'applicazione è in genere un motore mandrino ad alta velocità. Una volta superati i 600 Hz, l'applicazione è in genere un motore mandrino ad alta velocità. Il VFD varia la frequenza di ingresso regolando la frequenza di uscita dell'onda sinusoidale CA al motore. Per ottenere ciò, il VFD ha quattro componenti principali:
- La sezione raddrizzatore o convertitore a diodo converte la tensione di linea CA a 60 Hz in tensione CC tramite un raddrizzatore a diodo.
- La sezione del bus DC memorizza la tensione AC convertita in un condensatore. Per un ingresso AC da 480 V, la tensione di picco sul bus DC trifase può essere di 648 V DC (= 480 V x Sq. Rt. √1,82).
- La sezione inverter o IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) converte la tensione CC immagazzinata in un'onda sinusoidale CA analogica chiamata modulazione di larghezza di impulso per simulare un'onda CA. L'onda modulata di larghezza di impulso ha un'ampiezza (altezza), che è la tensione di ingresso massima, solitamente 480 volt, e un ciclo di lavoro (larghezza). Il numero di cicli di lavoro al secondo è la frequenza in Hertz e la velocità con cui l'IGBT si accende e si spegne è la frequenza portante. Le frequenze portanti vanno da 2,000 Hz a 15,000 Hz. Frequenze portanti più elevate producono forme d'onda migliori. Immagina un interruttore della luce sulla parete che consente alla tensione e alla corrente di alimentare una lampadina. La tensione e la corrente fluiscono verso la lampadina a una velocità di 60 cicli al secondo. Qualsiasi sfarfallio della luce è troppo veloce per essere rilevato a occhio nudo.
- La sezione di controllo VFD determina la tensione e la frequenza o il numero di duty cycle inviati al motore. Il motore utilizza una forma d'onda modulata in larghezza di impulso per controllare la velocità del motore.
L'evoluzione degli azionamenti a frequenza variabile
I VFD si sono evoluti nel tempo, ma la funzionalità di base rimane. Sono utilizzati in molte applicazioni e aiutano i settori a evolversi. Con l'attuale impennata di IIoT e smart manufacturing, i VFD diventeranno parte integrante del miglioramento dei processi e forniranno dati significativi per aiutare i produttori a diventare leader nei loro settori.