Cos'e' l'unità a frequenza variabile?

Unità a frequenza variabile (VFD) è un dispositivo elettronico di potenza utilizzato per controllare la velocità e la coppia dei motori a corrente alternata. Ottiene una regolazione precisa della velocità di funzionamento del motore modificando la frequenza e la tensione dell'alimentazione in ingresso al motore. I convertitori di frequenza sono ampiamente utilizzati nell'automazione industriale, nel controllo degli edifici, nella gestione dell'energia e in altri settori e sono un componente fondamentale indispensabile nei moderni sistemi di azionamento dei motori.

I. Principio di funzionamento di un VFD

Un VFD è composto principalmente da quattro parti: un raddrizzatore, un bus CC, un inverter e un controller:

1. Raddrizzatore: Converte l'alimentazione CA in ingresso in alimentazione CC.
2. Bus CC: Filtra e memorizza l'alimentazione CC raddrizzata, fornendo una tensione CC stabile.
3. Inverter: Converte l'alimentazione CC in alimentazione CA con frequenza e tensione regolabili, fornendola al motore.
4. Controller: Regola la frequenza e la tensione di uscita dell'inverter in base ai segnali di controllo per ottenere un controllo preciso del motore.

Principio fondamentale: Secondo la formula della velocità del motore $n=\genfrac{}{}{0ex}{}{120f}{p}\times (1-s)$ (dove $n$ è la velocità, $f$ è la frequenza di alimentazione, $p$ è il numero di coppie polari e $s$ è lo scorrimento), un VFD modifica la frequenza di alimentazione $f$ per alterare la velocità del motore.

II. Funzioni principali di un VFD

1. Controllo della velocità: Consente la regolazione continua della velocità del motore per soddisfare le diverse esigenze di velocità in diverse condizioni operative.
2. Risparmio energetico: Regola la velocità del motore in base alla richiesta di carico, evitando "sovra-specifiche" inefficienti e riducendo il consumo di energia.
3. Funzione di avviamento graduale: Limita la corrente di spunto, riducendo gli urti sulla rete elettrica e sulle apparecchiature meccaniche e prolungando la durata delle apparecchiature.
4. Funzioni di protezione: Include protezione da sovraccarico, sovratensione, sottotensione, sovracorrente e cortocircuito per migliorare l'affidabilità del sistema.
5. Migliore qualità del processo: Migliora la qualità del prodotto nei settori che richiedono un controllo preciso della velocità, come tessuti, fabbricazione della carta e stampa.

III. Applicazioni dei VFD

1. Automazione industriale: Utilizzato per il controllo della velocità di nastri trasportatori, ventilatori, pompe, compressori e altre apparecchiature.
2. Controllo degli edifici: Applicato nel controllo a risparmio energetico dei sistemi HVAC, dei sistemi di approvvigionamento idrico e di drenaggio, degli ascensori, ecc.
3. Gestione dell'energia: Utilizzato per la regolazione e l'ottimizzazione dell'energia nei sistemi di energia rinnovabile come l'energia eolica e solare.
4. Trasporto: Applicato nel controllo dell'azionamento del motore per veicoli elettrici e trasporto ferroviario.
5. Fabbricazione di macchine: Utilizzato in macchine CNC, macchine per lo stampaggio a iniezione, macchinari per l'imballaggio, ecc., per ottenere un controllo preciso della velocità e della coppia.

IV. Vantaggi dei VFD

1. Notevole risparmio energetico: Particolarmente efficace nella riduzione del consumo energetico per i carichi di ventilatori e pompe attraverso la regolazione della velocità.
2. Maggiore durata delle apparecchiature: Le funzioni di avviamento graduale e di regolazione della velocità riducono gli urti meccanici e l'usura.
3. Facilità d'uso: I VFD moderni sono dotati di interfacce intuitive e porte di comunicazione per una comoda impostazione dei parametri e il monitoraggio remoto.
4. Forte adattabilità: Adatto a vari tipi e potenze nominali di motori, soddisfacendo diverse esigenze applicative.

V. Classificazione dei VFD

1. Per alimentazione in ingresso:
   • VFD a ingresso monofase: Adatto per motori a bassa potenza, con ingresso CA monofase.
   • VFD a ingresso trifase: Adatto per motori da medi a alta potenza, con ingresso CA trifase.
2. Per tensione di uscita:
   • VFD a coppia costante: La tensione di uscita è proporzionale alla frequenza, adatta per carichi a coppia costante.
   • VFD a potenza costante: La tensione di uscita rimane costante alle alte frequenze, adatta per carichi a potenza costante.
3. Per metodo di controllo:
   • VFD con controllo V/F: Regola la velocità del motore regolando il rapporto tra tensione e frequenza, con una struttura semplice e un basso costo.
   • VFD con controllo vettoriale: Basato sul modello matematico del motore, ottiene il controllo disaccoppiato della coppia e del flusso, con buone prestazioni dinamiche.
   • VFD con controllo diretto della coppia: Controlla direttamente la coppia e il flusso del motore, con risposta rapida e alta precisione di controllo.

VI. Considerazioni sulla selezione e sull'utilizzo dei VFD

1. Criteri di selezione:
   • Corrispondenza di potenza: La potenza nominale del VFD dovrebbe superare leggermente quella del motore.
   • Tensione nominale: La tensione di uscita del VFD dovrebbe corrispondere alla tensione nominale del motore.
   • Metodo di controllo: Scegliere un metodo di controllo appropriato in base alle caratteristiche del carico.
   • Requisiti ambientali: Considerare l'ambiente di installazione del VFD, come temperatura, umidità e altitudine.
2. Considerazioni sull'utilizzo:
   • Messa a terra corretta: Assicurare una messa a terra affidabile del VFD per prevenire perdite e interferenze.
   • Misure di raffreddamento: Il VFD genera calore durante il funzionamento, richiedendo una buona ventilazione e raffreddamento.
   • Compatibilità elettromagnetica: Il VFD può generare interferenze elettromagnetiche, richiedendo misure di schermatura e filtraggio.
   • Manutenzione: Ispezionare regolarmente lo stato di funzionamento del VFD, pulire la polvere e controllare eventuali collegamenti allentati.

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