2. Spiegazione delle caratteristiche di progettazione dei motori VFD
3. Raffreddamento a velocità variabile: IC411 vs IC416
4. Corrente nei cuscinetti e come prevenirla
5. Calcoli per il risparmio energetico degli inverter
6. Serie Ever-Power YVF2 coreana
7. Domande frequenti
1. Perché un motore standard si guasta con l'alimentazione a variatore di frequenza
Un azionamento a frequenza variabile genera una forma d'onda di tensione modulata in larghezza di impulso (PWM) anziché una pura tensione sinusoidale. Sebbene la frequenza fondamentale e la tensione media possano essere controllate con precisione per ottenere una velocità variabile, le rapide transizioni di commutazione nella forma d'onda PWM creano picchi di tensione che possono raggiungere valori da 2 a 3 volte superiori alla tensione di alimentazione ai terminali del motore quando la lunghezza del cavo tra l'azionamento e il motore supera alcuni metri. Questi picchi di tensione sollecitano l'isolamento degli avvolgimenti in modi per i quali i sistemi di isolamento dei motori standard non sono stati progettati.
Su un sistema di azionamento a 380 V, i picchi di tensione PWM possono raggiungere o superare i 1200 V ai terminali del motore. L'isolamento degli avvolgimenti standard dei motori è testato fino a circa 1000 V e si degrada a causa dell'esposizione ripetuta a questi picchi. Il guasto in genere inizia dalla prima spira, che riceve l'intero picco di tensione prima che il fronte d'onda si smorzi lungo l'avvolgimento. Nel corso di settimane o mesi, le scariche parziali danneggiano l'isolamento tra le spire, causando infine un cortocircuito nell'avvolgimento.
Un motore IC411 (TEFC) standard si affida alla ventola montata sull'albero per far circolare l'aria di raffreddamento sul telaio. A bassa velocità, sotto il controllo di un variatore di frequenza (VFD), la ventola gira lentamente e fornisce un flusso d'aria di raffreddamento molto inferiore. Al 25% della velocità nominale (ad esempio, 360 giri/min su un motore a 4 poli), la ventola di raffreddamento fornisce circa il 6% del flusso d'aria nominale (proporzionale alla velocità). Le perdite negli avvolgimenti del motore rimangono elevate a coppia massima, ma la capacità di raffreddamento è quasi nulla, causando un rapido surriscaldamento se il motore funziona a coppia massima a bassa velocità.
La commutazione PWM crea tensioni di modo comune sull'albero del motore rispetto alla terra. Quando la tensione sull'albero supera la tensione di rottura dielettrica del film lubrificante nel cuscinetto, una corrente di scarica fluisce attraverso il contatto tra le sfere e la pista del cuscinetto. Le scariche ripetute erodono la superficie della pista del cuscinetto, producendo un caratteristico aspetto opaco o scanalato. Il cuscinetto diventa progressivamente più rumoroso e si guasta prematuramente, in genere dopo 6-18 mesi rispetto alle oltre 20.000 ore con alimentazione sinusoidale.
2. Spiegazione delle caratteristiche di progettazione dei motori VFD
Un motore a variatore di frequenza, come la serie YVF2 di Ever-Power Korea, incorpora specifiche modifiche ingegneristiche per affrontare ciascuno dei tre meccanismi di guasto descritti in precedenza. Queste caratteristiche rendono il motore adatto al funzionamento continuo a qualsiasi velocità entro il range nominale senza invecchiamento accelerato.
I motori VFD utilizzano un isolamento di classe H (con temperatura nominale di 180 °C) con filo smaltato resistente all'effetto corona per l'avvolgimento dello statore. Il filo resistente all'effetto corona (CR) presenta un rivestimento aggiuntivo che resiste alle scariche parziali a livelli di tensione superiori alla soglia di isolamento. Il materiale di rivestimento delle cave è stato migliorato, passando dal poliestere standard a un materiale a base di aramide con maggiore rigidità dielettrica. L'impregnazione dell'avvolgimento utilizza un sistema di resina VPI (impregnazione sottovuoto a pressione) che elimina i vuoti nell'isolamento della bobina dove potrebbero innescarsi scariche parziali. Insieme, queste misure aumentano la tensione impulsiva effettiva di tenuta dell'avvolgimento da circa 1.000 V (standard) a 1.350 V o superiore, ben al di sopra del picco di tensione di picco del VFD su un sistema a 380 V.
Il sistema di raffreddamento IC416 sostituisce la ventola montata sull'albero (IC411) con un motore di soffiaggio esterno ad alimentazione separata, montato sull'estremità non motrice del motore principale. Il soffiatore funziona a velocità fissa in modo continuo, indipendentemente dalla velocità dell'albero del motore principale, mantenendo il flusso d'aria di raffreddamento nominale anche quando il motore principale funziona a velocità prossima allo zero. Ciò consente al motore VFD di erogare la coppia nominale completa da 0 giri/min alla velocità nominale (intervallo di velocità a coppia costante 10:1) senza alcuna riduzione di potenza dovuta al calore. I motori di soffiaggio della serie YVF2 di Ever-Power Korea sono trifase a 380 V 50 Hz, con una potenza tipica da 50 a 250 W a seconda delle dimensioni del telaio del motore principale.
I motori della serie YVF2 di Ever-Power Korea includono sensori termistori PTC (Positive Temperature Coefficient) integrati nell'avvolgimento dello statore nel punto più caldo di ciascuna fase. I termistori PTC presentano un brusco aumento di resistenza a una temperatura di intervento definita (tipicamente 130 °C o 150 °C). I termistori sono collegati a un modulo relè PTC nel pannello di controllo dell'azionamento a frequenza variabile (VFD), che arresta l'azionamento se un qualsiasi avvolgimento raggiunge la temperatura impostata. Ciò fornisce una protezione diretta dalla temperatura dell'avvolgimento, indipendente dal relè termico di sovraccarico esterno, che monitora solo la corrente del motore e non può rilevare direttamente il surriscaldamento dell'avvolgimento causato da un guasto del sistema di raffreddamento o da una temperatura ambiente eccessiva.
Per interrompere il percorso di scarica della corrente del cuscinetto, i motori della serie YVF2 con potenza superiore a 75 kW sono dotati di una boccola isolante nell'alloggiamento del cuscinetto lato non motrice. La boccola fornisce isolamento elettrico tra l'anello esterno del cuscinetto e lo schermo terminale del motore, impedendo alla tensione di modo comune dell'albero di completare un circuito attraverso il cuscinetto lato non motrice. Il cuscinetto lato motrice rimane non isolato per fornire il riferimento di terra necessario. Per cavi di trasmissione molto lunghi o configurazioni di azionamento sensibili, dove il solo isolamento del cuscinetto lato non motrice non è sufficiente, può essere specificata anche una spazzola di messa a terra (spazzola di messa a terra dell'albero).
3. Raffreddamento a velocità variabile: IC411 vs IC416
| Proprietà | IC411 (TEFC standard) | IC416 (Motore ventilatore con azionamento a frequenza variabile) |
|---|---|---|
| Fonte del flusso d'aria di raffreddamento | Ventilatore montato sull'albero, velocità proporzionale alla velocità dell'albero motore. | Motore del ventilatore separato a velocità costante, indipendente dall'albero principale. |
| Raffreddamento alla velocità di 10% | ~0,1% di capacità di raffreddamento nominale | 100% di capacità di raffreddamento nominale |
| Gamma di velocità a coppia costante | In genere 50–100% di velocità nominale (2:1 o inferiore) | 0–100% della velocità nominale (10:1 o superiore) |
| Necessaria fornitura aggiuntiva | Nessuno | 380 V trifase per motore del ventilatore (50–250 W) |
| Livello di rumore a bassa velocità | Riduzione (la ventola gira lentamente) | Rumore costante del ventilatore indipendentemente dalla velocità del motore |
| Applicazioni tipiche | Carichi a coppia variabile (ventilatori, pompe) con gamma di velocità superiore a 50% nominale | Carichi di coppia costante in un ampio intervallo di velocità: estrusori, nastri trasportatori, macchine utensili, paranchi |
Nota per azionamenti di ventilatori e pompe centrifughe: per carichi a coppia variabile in cui la velocità raramente scende al di sotto del 50% della velocità nominale, un motore standard con raffreddamento IC411 può essere adeguato per l'uso con azionamenti a frequenza variabile (VFD) poiché il carico centrifugo riduce naturalmente la coppia a velocità ridotta, mantenendo le temperature degli avvolgimenti gestibili anche con raffreddamento della ventola ridotto. Tuttavia, il rinforzo dell'isolamento degli avvolgimenti è comunque necessario, indipendentemente dal tipo di carico, per proteggere dai picchi di tensione PWM.
4. Corrente nei cuscinetti e come prevenirla
Il danneggiamento dei cuscinetti dovuto a correnti parassite è una delle modalità di guasto più insidiose nei motori azionati da inverter, poiché non produce sintomi immediati. Il motore funziona normalmente, con corrente e temperatura normali, ma i cuscinetti vengono progressivamente danneggiati da micro-scariche elettriche. Il primo sintomo è in genere una rumorosità udibile nella rotazione del cuscinetto, momento in cui si è già formata una scanalatura sulla pista di rotolamento (un modello regolare di solchi circonferenziali sulla pista interna o esterna del cuscinetto) e si rende necessaria la sostituzione del cuscinetto.
Rivestimento ceramico sull'anello esterno del cuscinetto o sulla boccola isolante del cuscinetto nello schermo terminale. Interrompe il circuito di scarica sul cuscinetto NDE. Di serie sui motori YVF2 superiori a 75 kW. La soluzione più conveniente per motori superiori a 75 kW.
Le spazzole in carbonio o argento, che scorrono sull'albero motore, forniscono un percorso a bassa impedenza verso terra per la tensione di modo comune dell'albero. Scaricano la tensione dell'albero verso terra prima che possa raggiungere il livello di rottura del lubrificante del cuscinetto. Efficaci su motori di tutte le dimensioni; richiedono la sostituzione periodica delle spazzole.
Il filtro LC installato tra l'uscita del variatore di frequenza e il cavo del motore limita la velocità di aumento della tensione degli impulsi PWM ai terminali del motore. Riduce l'ampiezza del picco di tensione e rallenta il fronte d'onda della tensione, riducendo sia lo stress sull'isolamento che l'intensità della corrente di modo comune. Consigliato per cavi di lunghezza superiore a 50 metri.
L'induttore toroidale sul cavo di uscita dell'azionamento attenua la corrente di modo comune che genera la tensione sull'albero. Viene spesso utilizzato in combinazione con una spazzola di messa a terra dell'albero o un cuscinetto isolato NDE per una protezione completa dalla corrente del cuscinetto su motori di grandi dimensioni con lunghi cavi.
5. Calcoli per il risparmio energetico degli inverter
Nel caso di carichi con ventilatori e pompe centrifughe, la riduzione della velocità del motore tramite un variatore di frequenza (VFD) produce un risparmio energetico sproporzionatamente elevato, poiché la domanda di potenza segue la legge del cubo: la potenza è proporzionale al cubo della velocità. Una riduzione della velocità del 20% si traduce in una riduzione della potenza del 49%.
Questo calcolo presuppone che il sistema operi a 80% di flusso massimo per la maggior parte dell'anno. In pratica, la domanda di flusso di processo varia e il risparmio energetico a flusso parziale è persino maggiore di quanto mostrato in questo esempio. L'installazione di un variatore di frequenza (VFD) su pompe centrifughe e ventilatori consente in genere un ritorno sull'investimento in 6-18 mesi ai prezzi tipici dell'elettricità industriale, rendendola uno degli investimenti in efficienza energetica più interessanti dal punto di vista finanziario per gli operatori di impianti di processo.
6. Motore VFD serie YVF2 di Ever-Power, Corea.
La serie YVF2 è la gamma di motori per inverter di Korea Ever-Power, progettata per applicazioni a velocità variabile con VFD in azionamenti industriali. La gamma completa è descritta in dettaglio nel documento. Sezione prodotti per motori con inverter VFD, con potenze da 0,75 kW a 200 kW, nelle taglie IEC da 80M a 315M in configurazione a 4 poli, con varianti a 2 e 6 poli disponibili su richiesta.
Tutti i motori YVF2 sono costruiti per un'efficienza IE3 (misurata con alimentazione sinusoidale a 50 Hz secondo la norma IEC 60034-30-1). Il ventilatore esterno IC416 consente di erogare la coppia nominale completa da 0 a 50 Hz (da 0 a 1.450 giri/min per la versione a 4 poli) senza riduzione di potenza e di continuare a funzionare al di sopra di 50 Hz fino a 120 Hz (fino a 3.500 giri/min) con una caratteristica di potenza costante al di sopra della velocità base. Questo ampio intervallo operativo copre azionamenti per estrusori, controllo della velocità dei nastri trasportatori, azionamenti per assi di macchine utensili e grandi installazioni di ventilatori e pompe con lunghe ore di funzionamento giornaliere.
| Gamma di potenza | 0,75 – 200 kW |
| Voltaggio | 380 V ± 5%, 50 Hz |
| Gamma di frequenza | 0 – 120 Hz |
| Raffreddamento | Ventilatore esterno IC416 |
| Gamma di coppia costante | 10:1 (0 – 50 Hz) |
| Isolamento | Filo CR di classe H |
| Protezione | IP54 (IP55 su richiesta) |
| Termistori | PTC, 3 per motore |
| Cuscinetto NDE (≥75 kW) | Manicotto isolante standard |
7. Domande frequenti
A cura di Cxm
