Ampère: avviamento motori con inverter VFD
La progettazione elettrica in ambito industriale presenta sicuramente elementi di maggior complessità rispetto alla distribuzione civile; tra questi si possono sicuramente annoverare gli avviamenti ed il controllo di velocità di motori.
L’evoluzione della tecnica e soprattutto dell’elettronica di potenza, ha portato a modificare nel tempo le consuetudini di progettazione, passando, per avviamenti pesanti, dal tipico stella – triangolo agli avviatori con soft starter o con inverter.
Per ridurre al minimo i problemi meccanici ed elettrici causati dagli avviamenti diretti, in applicazioni che prevedono ad esempio il controllo del movimento di pompe, ventilatori, compressori, nastri trasportatori o altro, è conveniente utilizzare gli inverter VFD.
Questi dispositivi permettono un avviamento graduale e controllato dei motori, evitando sia problemi di esercizio e di durata dell’impianto, sia elevati costi di manutenzione.
Per supportare questa evoluzione, la versione 2021 di Ampère, estende le funzionalità afferenti all’avviamento dei motori e supporta ora anche la tipologia di avviamento attraverso inverter VFD.
Avviamento motori con inverter VFD
Gli inverter VFD trovano impiego in quegli ambiti di lavoro dove sono richieste elevate prestazioni per l’avviamento ed il controllo della velocità dei motori come ad esempio:
• applicazioni con un'elevata coppia di avviamento;
• controllo della velocità ed efficienza di sistema a velocità ridotte in modalità di esecuzione;
• possibilità di mantenere il rotore a velocità zero;
• feedback continuo per il controllo di posizione critico.
Ampère 2021 gestisce l’avviamento di motori asincroni attraverso inverter VFD (sia in quadro che a bordo macchina), con studio delle problematiche di protezione a contatto indiretto a valle dell'inverter, oltre che delle verifiche a caduta di tensione e guasto.
In Ampère 2021 l’avviamento è conglobato nella stessa utenza di definizione del motore, assieme alla protezione generale e alla conduttura.
L’avviamento è gestito dal software come un convertitore AC/AC, definito come Inverter VFD per motori, con proprietà dedicate al controllo dei motori. Con la scelta di un avviamento dall'archivio Dispositivi, l’utenza utilizzerà l’eventuale informazione di installazione: a bordo quadro o a bordo macchina.
Come inserire un avviamento inverter
Dopo aver definito una utenza di tipo motore con la sua potenza nominale, nella scheda Protezione della finestra Modifica utenza, scegliere Avviamento inverter VFD. Anche per questa modalità di avviamento, il programma non mette vincoli alle tipologie di protezione, lasciando la massima libertà al progettista. A livello archivi, il Coordinamento motori prevede le tipologie F, MT, MT+C, MS, MS+C, M e M+C. Ad esempio, con Tipo protezione Fusibile, si attiva il comando Avviamenti, grazie al quale è possibile assegnare una combinazione completa fusibile-inverter garantita dai costruttori, come riportato nella figura in alto.
Proprietà inverter VFD
Analizziamo le proprietà del convertitore AC/AC con estensione per motori, visualizzate nell'immagine, che riporta la scheda Proprietà dall'archivio Dispositivi.
Potenza apparente [kVA]: corrisponde alla massima potenza che può erogare l'inverter. Essa viene utilizzata per il calcolo della impedenza Zcc per il calcolo del contributo a guasto.
Potenza attiva [kW]: componente attiva massima che può erogare l'inverter, denominata in bibliografia e in Ampère anche come Potenza nominale PN.
Rendimento: percentuale di potenza convertita dal passaggio dei morsetti di ingresso a quelli di uscita, a meno della potenza dissipata dall'apparecchio. In Ampère viene denominato anche con la voce Rendimento inverter.
La scheda Inverter VFD, come detto, espande le proprietà dei convertitori AC/AC. La prima di esse, Inverter integrato nel motore/bordo macchina, permette di informare il software della reale posizione di allaccio dell’apparecchiatura.
Una differenza sostanziale riguarda le correnti di guasto lungo la conduttura, in quanto, con l'inverter a bordo macchina, non vengono limitate.
Inverter bidirezionale / energy recovery: se la proprietà è attiva, l’avviamento è in grado di iniettare corrente di guasto, grazie all'energia cinetica immagazzinata dal motore in movimento. Trattasi di una proprietà intrinseca dell'inverter, non può essere attivata o disattivata a livello di utenza in seguito, per cui occorre conoscere le caratteristiche fornite dal costruttore.
Corrente nominale IN [A]: corrente massima erogabile dal convertitore in modalità di lavoro No Overload.
Gli inverter possono avviare il motore in modalità differenti, spesso dovute alla natura del carico ed al tempo richiesto per raggiungere la velocità nominale. Si possono trovare differenze tra case costruttrici, pertanto, si è deciso di permettere la simulazione dell’avviamento per ulteriori due livelli di Sovraccaricabilità: Low Overload e High Overload.
Potenza PLd e Corrente ILd di sovraccarico leggero: rappresentano i valori di potenza e corrente massimi erogabili dall’inverter per alimentare un carico fornendo un sovraccarico costante del 110% rispetto ai valori nominali. Questi parametri sono utilizzati con la Sovraccaricabilità impostata su Low Overload. Il tempo di avviamento è imposto a 60 secondi.
Potenza PHd e Corrente IHd di sovraccarico pesante: rappresentano i valori di potenza e corrente massimi erogabili dall’inverter per alimentare un carico fornendo un sovraccarico costante del 150% rispetto ai valori nominali. Questi parametri sono utilizzati con la Sovraccaricabilità impostata su High Overload. Il tempo di avviamento è imposto a 60 secondi.
Corrente massima Imax [A]: trattasi della massima corrente che l'inverter è capace di erogare, pertanto utilizzata per il calcolo della corrente di guasto erogata. I costruttori possono fornire, appunto, o la massima corrente, o il Rapporto Icc/In da applicare alla corrente nominale. Se entrambi i valori vengono compilati, il software utilizza la Corrente massima Imax per i calcoli.
Completato l’inserimento dei dati, l’utenza può essere collegata in Magliatura.
Nella figura seguente, riportiamo due esempi di avviamento con inverter VFD, uno in quadro ed uno a bordo macchina. Si notino i valori ampiamente differenti dei guasti a terra o dei guasti fase-fase, molto più bassi per l’utenza con l’inverter in quadro.
Proprietà utenza
Le proprietà dell’inverter di avviamento vengono proposte all’interno della finestra di dialogo Proprietà utenza, che per tali utenze unisce le informazioni relative al motore e quelle del avviamento. Pertanto sono disponibili e modificabili le seguenti proprietà.
Sovraccaricabilità: è possibile scegliere tra No Overload, Low Overload e High Overload. La scelta influenza la corrente di avviamento, e di conseguenza il grafico tempo-corrente riportante la curva di inserzione del motore. Il tempo di avviamento è quello proprio del motore per la modalità No Overload, e 60 secondi per le altre due modalità.
Rendimento inverter: il parametro può essere modificato per migliorare la precisione a seconda dei valori della potenza di carico.
In max: è possibile regolare la corrente fornita dall’inverter durante l’avviamento assegnando un valore maggiore di zero. Il calcolo della corrente Ins terrà conto del valore impostato, altrimenti viene considerata la corrente nominale del convertitore. Essa comanda anche sugli avviamenti Low o High Overload, di cui non si tiene conto del 110% o del 150%.
Icc/In Inverter: il parametro è attivo se la corrente I max è nulla, pertanto il coefficiente fornisce il valore della corrente di corto circuito fornita dall’inverter. Viceversa, il parametro è disabilitato visualizzando il rapporto tra la corrente I max e In. Come abbiamo detto, i costruttori a catalogo possono fornire il valore di Icc/In o quello di I max.
Dimensionamento e guasti
Forniamo alcune indicazioni relative al calcolo della corrente di sovraccarico e la corrente massima di guasto fornite dall’inverter.
Dimensionamento
Dalla potenza nominale dell’inverter PN, viene calcolata la corrente nominale ideale tramite la formula InInv= PN / sqrt(3) * Vn.
Se all’utenza viene assegnato l’inverter da archivio, con la Corrente nominale IN assegnata, allora viene preso in considerazione tale valore InInv = IN.
Se è inserita anche la corrente di regolazione In max, la corrente di sovraccarico Ins sarà pari a quest’ultima.
Ovviamente, le considerazioni appena esposte, sono valide se le correnti proprie dell’inverter sono inferiori della corrente di intervento della protezione assegnata all’utenza.
Per la propagazione della potenza assorbita dal motore a regime, Ampère 2021 considera la presenza dell’inverter VFD con il relativo rendimento. Tale effetto è visibile nella finestra Dati utenza, verificando i valori di Potenza attiva e reattiva trasferiti a monte, i quali sono calcolati considerando il rendimento dell’inverter.
Guasti
Con la stessa sequenza del calcolo di Ins appena vista, la corrente di guasto fornita dall’inverter è IgInv = Icc/In * InInv.
Se all’utenza viene assegnato l’inverter da archivio, con la Corrente nominale IN assegnata, allora viene preso in considerazione tale valore, e si ottiene IgInv = Icc/In * IN.
Infine, se inserita Imax fornita dal costruttore, si assegna direttamente IgInv = Imax
e per coerenza dei dati, si calcola Icc/In = Imax / InInv.
Se l’inverter contribuisce alla corrente di guasto in linea, il software inserisce nella rete di calcolo l’impedenza dell’inverter per creare il modello di generatore di corrente equivalente.
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