Soft start o azionamento a frequenza variabile: una scelta ingegneristica per i motori elettrici industriali

1. Introduzione

Nei moderni sistemi di controllo dei motori industriali, la scelta tra un soft starter e un azionamento a frequenza variabile (VFD) è fondamentale per garantire l'affidabilità dei processi produttivi. I motori asincroni, se avviati direttamente dalla rete, consumano una corrente 6-8 volte superiore alla corrente nominale, il che crea un carico meccanico significativo su giunti, riduttori e albero motore. Inoltre, provoca un abbassamento di tensione nella rete, che può influire negativamente sul funzionamento di altre apparecchiature sensibili.

Per gli ingegneri meccanici e gli specialisti dell'affidabilità, la scelta tra PPD e FRP si basa non solo sul costo, ma sui requisiti tecnici del processo. Lo scopo di questo materiale è fornire criteri di selezione chiari basati su principi operativi fisici e standard di settore.

2. Principi fondamentali del lavoro

Il dispositivo di avvio graduale (PPP) si basa sull'uso di elementi semiconduttori di potenza: tiristori (simisti). Attraverso il controllo di fase del momento di apertura dei tiristori, il PPP limita la tensione effettiva applicata allo statore del motore durante l'avviamento. Ciò consente di aumentare gradualmente la coppia del motore. Una volta raggiunta la velocità nominale, il PPT viene solitamente deviato da un contattore per ridurre le perdite di energia.

Il convertitore di frequenza (VFD) fornisce il controllo completo sulla velocità e sulla coppia del motore modificando la frequenza e la tensione (legge U/f). Il CHP converte la corrente alternata della rete in corrente continua (collegamento in corrente continua) e quindi, con l'aiuto della modulazione di larghezza di impulso (PWM) sui transistor IGBT, forma una tensione alternata con una frequenza regolabile in uscita. Ciò fornisce il pieno controllo sulla dinamica del motore durante l'intero ciclo operativo.

3. Specifiche tecniche e norme

La progettazione e la selezione dei dispositivi devono soddisfare gli standard internazionali:

• IEC 60947-4-2: Quadri a bassa tensione - Parte 4-2: Contattori e avviatori motore - Controller e avviatori per semiconduttori CA.
• IEC 61800-2 / 61800-5-1: Azionamenti elettrici a velocità variabile - Requisiti e specifiche di sicurezza.
• IEEE 519: Pratiche e requisiti raccomandati per il controllo delle armoniche nei sistemi elettrici (fondamentale per i PSC).

Quando si scelgono i dispositivi, è necessario tenere conto della classe di avvio (classe 10, 20 o 30 per IEC 60947-4-2), che determina il tempo di avvio consentito e la capacità di carico.

4. Criteri di selezione e progettazione

La scelta del dispositivo dipende dal tipo di carico e dalla flessibilità di controllo richiesta.

5. Installazione e messa in servizio

Garantire uno scambio termico sufficiente è fondamentale per i PPP, poiché i tiristori generano una quantità significativa di calore durante l'avvio. L'uso di un contattore di bypass esterno è obbligatorio per il funzionamento a lungo termine.

Gli aspetti critici per la RPC sono:

• Protezione contro le interferenze elettromagnetiche (EMC). Utilizzo di cavi motore schermati.
• Installazione di induttanze di uscita o filtri sinusoidali per proteggere l'isolamento degli avvolgimenti del motore dai picchi di tensione (dv/dt).
• Considerazione delle armoniche nella rete di alimentazione e installazione di reattanze o filtri di ingresso (filtri LCL).

6. Guasti tipici e analisi delle ragioni

Rifiuto del PPP:

• Surriscaldamento dei tiristori dovuto ad avviamenti frequenti (classe di avvio superiore a quella calcolata).
• Guasto dovuto a contattori di derivazione selezionati in modo errato.
• Rottura dei tiristori dovuta a sovratensioni di commutazione nella rete.

ChRP rifiutati:

• Degrado dei condensatori elettrolitici nel circuito CC (durata operativa tipica 5-8 anni).
• Guasto dei moduli IGBT a causa di cortocircuiti o surriscaldamento.
• Rottura dell'isolamento degli avvolgimenti del motore (causata da cavi lunghi non filtrati e dv/dt elevato).

7. Manutenzione prevista

La manutenzione include:

1. Controllo termografico: Controllo delle connessioni dei contatti e dei radiatori di raffreddamento.
2. Analisi delle armoniche: Utilizzo di analizzatori di qualità dell'energia (secondo IEEE 519) per controllare l'impatto della RPC sulla rete.
3. Diagnostica delle vibrazioni del motore: Verifica dell'assenza di risonanze meccaniche durante il funzionamento del CHRP a basse frequenze.
4. Monitoraggio dello stato dei condensatori: Controllo della capacità e della corrente di dispersione nella RPC.

8. Matrice comparativa

9. Conclusione

Il PPP è la scelta ottimale per i sistemi in cui è necessario solo un avviamento graduale per ridurre i carichi d'urto sulla parte meccanica e la velocità del motore rimane costante. ChRP è indispensabile per i processi tecnologici che richiedono il controllo dinamico della velocità, il miglioramento dell'efficienza energetica o la regolazione precisa dei parametri (pressione, flusso). UNITEC-D GmbH fornisce la fornitura di PPP e PRP certificati da produttori leader e conduce anche audit tecnici per ottimizzare le vostre apparecchiature.

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10. Elenco dei riferimenti

• IEC 60947-4-2: Apparecchiature di manovra e controllo a bassa tensione - Parte 4-2.
• IEC 61800-5-1: Sistemi di azionamento elettrico a velocità variabile - Parte 5-1.
• IEEE 519-2014: Pratica e requisiti raccomandati dall'IEEE per il controllo delle armoniche nei sistemi di energia elettrica.
• UNITEC-D Istruzioni per l'uso: "Sistemi di controllo dell'azionamento nell'industria".