Soluzione di frenatura per sistema VFD

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Qual è la funzione di una soluzione di frenatura per VFD?

Una soluzione di frenatura per VFD viene utilizzata per gestire l’energia rigenerativa generata durante la decelerazione o l’arresto del motore, prevenendo un eccessivo aumento della tensione del bus CC e garantendo un funzionamento sicuro ed efficiente del sistema. Le soluzioni comuni includono la frenatura dinamica e la frenatura rigenerativa, che possono essere selezionate in base alle caratteristiche del carico, all’efficienza energetica e ai requisiti di costo.

In un sistema di controllo della velocità a frequenza variabile, la decelerazione e l’arresto del motore sono ottenuti riducendo gradualmente la frequenza. Nell’istante in cui la frequenza diminuisce, la velocità sincrona del motore cala corrispondentemente, mentre la velocità del rotore rimane invariata a causa dell’inerzia meccanica. Quando la velocità sincrona w_1 diventa inferiore alla velocità del rotore w, la fase della corrente rotorica si sposta di quasi 180 gradi, causando la transizione del motore dalla modalità motrice a quella generatrice. Contemporaneamente, la coppia sull’albero motore diventa una coppia frenante T_e, riducendo rapidamente la velocità del motore, ponendolo in uno stato di frenatura rigenerativa. L’energia elettrica rigenerata P dal motore viene reimmessa nel circuito CC attraverso una rettifica a onda intera tramite i diodi di libera circolazione. Poiché l’energia elettrica nel circuito CC non può essere reimmessa nella rete attraverso il ponte raddrizzatore, viene assorbita solo dal condensatore dell’inverter stesso. Sebbene altre parti possano consumare energia elettrica, il condensatore accumula comunque carica per un breve periodo, formando una “tensione di pompaggio”, causando un aumento della tensione CC Ud. Una tensione CC eccessiva può danneggiare vari componenti. Pertanto, è necessario adottare misure per gestire questa energia rigenerativa. La nostra azienda offre le seguenti due soluzioni.

Soluzione A: Frenatura Dinamica
Questo metodo consuma l’energia rigenerativa attraverso un resistore di frenatura. Il suo principio di funzionamento prevede l’uso di un chopper (noto anche come unità di frenatura) per controllare il resistore di frenatura nell’assorbimento di energia all’interno del circuito CC, ottenendo così una frenatura rapida. Questa soluzione presenta una struttura semplice, un costo contenuto e una coppia frenante elevata, e non provoca inquinamento della rete elettrica. Tuttavia, non è in grado di recuperare l’energia rigenerativa. È adatta per scenari sensibili ai costi o con requisiti bassi di stabilità della rete, come in centrifughe standard o macchine piallatrici.

Soluzione B: Frenatura Rigenerativa
Questo metodo inverte l’energia rigenerativa in corrente alternata alla stessa frequenza e fase per reimmetterla nella rete. Impiegando la tecnologia di inversione attiva, consente il riciclo dell’energia, migliora l’efficienza del sistema e supporta il funzionamento a quattro quadranti. Tuttavia, richiede una tensione di rete stabile (con fluttuazioni non superiori al 15%); in caso contrario, può verificarsi facilmente un guasto di commutazione. Esiste anche il rischio di inquinamento armonico, e la complessità di controllo e il costo sono relativamente elevati. È adatta per applicazioni che richiedono frenature frequenti e dispongono di un’alimentazione di rete stabile, come i carichi di energia potenziale in gru e ascensori.

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Frenatura dinamica Frenata rigenerativa

Frenatura dinamica

Il metodo utilizzato nella frenatura dinamica prevede l’aggiunta di una resistenza di scarica sul lato CC (DC) dell’inverter (VFD) per consumare l’energia rigenerativa attraverso una resistenza di potenza, ottenendo così la frenata (come mostrato in figura). Questo è il modo più diretto per gestire l’energia rigenerativa, dove l’energia viene dissipata sotto forma di calore attraverso un circuito di frenatura dinamica dedicato nella resistenza. Pertanto, viene anche definita “frenatura a resistenza” e consiste di due componenti: l’unità di frenatura (chopper) e la resistenza di frenatura.

1. Principio di frenatura

1.1. Unità di frenatura (Braking Unit)
La funzione dell’unità di frenatura è quella di attivare il circuito di dissipazione dell’energia quando la tensione del bus CC (U_d) supera una soglia prestabilita (ovvero la tensione di intervento del chopper), consentendo al circuito CC di rilasciare energia sotto forma di calore attraverso la resistenza di frenatura. Le unità di frenatura possono essere classificate in due tipi: integrate ed esterne. Le prime sono adatte per inverter di bassa potenza per uso generale, mentre le seconde sono utilizzate per inverter di alta potenza o condizioni operative con requisiti di frenatura speciali. In linea di principio, non c’è differenza tra le due; entrambe fungono da “interruttore” per collegare la resistenza di frenatura, comprendendo un transistor di potenza, un circuito di campionamento e confronto della tensione e un circuito di pilotaggio (drive).

1.2. Resistenza di frenatura
Una resistenza di frenatura è un componente utilizzato per dissipare l’energia rigenerativa di un motore sotto forma di calore. Presenta due parametri chiave: valore di resistenza e capacità di potenza. In base alle diverse applicazioni, la nostra azienda ha sviluppato una varietà di resistenze di frenatura con distinte caratteristiche prestazionali. Si prega di consultare la tabella comparativa delle resistenze di frenatura per ulteriori dettagli.

2. Processo di frenatura

Il processo di frenatura dinamica è il seguente:
2.1. Quando il motore decelera o inverte la marcia sotto una forza esterna (incluso il trascinamento da parte di un carico), opera in stato di generazione, rimandando energia al bus CC e facendo salire la tensione del bus;
2.2. Quando la tensione del bus CC raggiunge la soglia di intervento dell’unità di frenatura, il transistor di potenza nell’unità di frenatura viene attivato, consentendo alla corrente di fluire attraverso la resistenza di frenatura;
2.3. La resistenza di frenatura dissipa l’energia elettrica come calore, riducendo la velocità del motore e, di conseguenza, abbassando la tensione del bus CC;
2.4. Quando la tensione del bus CC scende al valore di cut-off dell’unità di frenatura, il transistor di potenza dell’unità si spegne, interrompendo il flusso di corrente attraverso la resistenza;
2.5. La tensione del bus CC viene monitorata continuamente e l’unità di frenatura ripete questo processo ON/OFF per regolare la tensione del bus, garantendo il normale funzionamento del sistema.

3. Caratteristiche della frenatura

I vantaggi della frenatura dinamica (frenatura a resistenza) sono la struttura semplice, il basso costo, l’elevata coppia frenante e l’assenza di inquinamento per la rete elettrica. Tuttavia, non può recuperare l’energia rigenerativa, il che comporta un notevole spreco di energia durante le frenate frequenti e richiede un aumento della capacità della resistenza di frenatura.

4. Selezione dell’unità e della resistenza di frenatura

4.1. Innanzitutto, stimare la coppia frenante.
Generalmente, durante la frenata del motore, si verifica una certa quantità di perdite interne al motore, pari a circa il 18%-22% della coppia nominale. Pertanto, se il risultato calcolato scende al di sotto di questo intervallo, non è necessario collegare un dispositivo di frenatura.
4.2. Successivamente, calcolare il valore di resistenza della resistenza di frenatura.
Durante il funzionamento dell’unità di frenatura, la fluttuazione della tensione del bus CC dipende dalla costante RC, dove R è il valore della resistenza di frenatura e C è la capacità del condensatore elettrolitico all’interno dell’inverter. In questo caso, la tensione operativa dell’unità di frenatura è tipicamente impostata a 710V.
4.3. Quindi, quando si seleziona l’unità di frenatura, la corrente operativa massima dell’unità è l’unico criterio e la sua formula di calcolo è la seguente:
4.4. Infine, calcolare la potenza nominale della resistenza di frenatura.

Poiché la resistenza di frenatura opera su un ciclo di lavoro a breve termine (short-time duty), in base alle sue caratteristiche e specifiche tecniche, sappiamo che la potenza nominale della resistenza sarà inferiore alla potenza consumata quando alimentata. Ciò può essere generalmente calcolato utilizzando la seguente formula: Potenza nominale = Fattore di declassamento (derating) × Potenza media consumata durante la frenata × Rapporto di inserzione (ED) %.

Tabella comparativa per le diverse serie di unità di frenatura

Caratteristiche principali	Serie LN 220V	Serie LN 400V	Serie GN
Potenza nominale inverter (Pr)	da 7.5KW a 90KW	da 7.5KW a 132KW	da 37KW a 450KW
Corrente massima di frenata (I)	da 50A a 200A	da 40A a 200A	da 75A a 450A
Potenza di frenata ripetitiva (Pm)	Basata su Pr ed ED/duty(%)	Basata su Pr ed ED/duty(%)	Basata su Pr ed ED/duty(%)
Tempo di ciclo (fino a 600s su richiesta)	120s standard	120s standard	120s standard
ED / Ciclo di lavoro (oltre il 40% su richiesta)	fino al 20%	fino al 20%	fino al 40%
Tensione di rete (U) @50/60Hz	220/240V±10%	380/415V±10%	380/415V±10% 480/500V±10% 660/690V±10%
Tensione chopper predefinita (Regolabile)	DC 320V±5V	DC 660V±5V	DC 660V±5V / DC 830V±5V / DC 1150V±5V
Tensione dielettrica	3.000VAC @ 1 min	3.000VAC @ 1 min	3.000VAC @ 1 min
Resistenza di isolamento	>20MΩ / corpo	>20MΩ / corpo	>20MΩ / corpo

5. Tabella comparativa per le diverse serie di resistenze di frenatura

Tipo di resistenza	Numero di serie	Range di potenza (W)	Resistenza	Materiale custodia	IP	Con ventola	Caratteristiche	Scenari
Resistenza a filo avvolto	RXG20	50–15.000	Personalizzata	No	IP00	No	Basso livello IP, costo contenuto, buona dissipazione del calore	Ascensori, gru, inverter
In contenitore di alluminio	RXLG	20–11.000	Personalizzata	No	IP21/IP65	No	Alto livello IP, struttura compatta, non adatta per funzionamento prolungato	Ascensori, gru, inverter, macchine a iniezione, CNC, robotica, veicoli elettrici
In alluminio compatto	RXLG				IP21/IP65	No	Struttura compatta, alta corrente, bassa resistenza	Scooter elettrici
Resistenza a dissipatore	RAD				IP21		Alta corrente, bassa resistenza, dissipatore in alluminio, modulare	Spazi limitati

Tipo di cabinet resistenze	Numero di serie	Range di potenza (KW)	Tipo di resistenza	Materiale cabinet	IP	Con ventola	Caratteristiche	Scenari
Multi-unita in alluminio	ARXU	15-50	Alluminio	Acciaio laminato a freddo	IP21/IP54	Ventola piccola	Alto IP, scatola di giunzione impermeabile	Ascensori, gru, inverter
Cabinet in rete INOX STL	STL	6-250	Rete in acciaio inox	304/316	IP54	Sì (da 12KW)	Resistente all’acqua e alla nebbia salina	Gru portuali e a torre (esterno)
Cabinet in rete INOX STC	STC	6-250	Rete in acciaio inox	Acciaio zincato	IP54	Sì (da 12KW)	Impermeabile, non adatto per nebbia salina	Uso gravoso interno/esterno
Cabinet ceramico	DBR	9-100	Filo avvolto	Acciaio zincato	IP54	No	Compatto, alta corrente, forte capacità di sovraccarico	Carichi pesanti interno/esterno
Box a piastre	DBR	1-200	A piastre	Acciaio zincato	IP00	Opzionale	Struttura compatta, alta corrente, lunga durata	Carichi pesanti indoor
Box in rete INOX STB	STB	1-27	Rete in acciaio inox	Acciaio laminato a freddo	IP00	No	Basso livello di protezione, ottima dissipazione	Lungo termine indoor
Box ceramico	BRB	2-36	Filo avvolto	Acciaio laminato a freddo	IP00	Sì (da 20KW)	Bassa resistenza agli urti, buona dissipazione	Lungo termine indoor
Specifico per ascensori	EVR	3-9	Rete in acciaio inox	Acciaio zincato	IP00	No	Compatto, parzialmente resistente all’acqua	Specifico per ascensori

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Frenata rigenerativa

La frenatura rigenerativa, nota anche come frenatura a recupero di energia, opera utilizzando la tecnologia dell’inversione attiva per convertire l’energia rigenerativa generata durante la decelerazione o l’arresto del motore in corrente alternata (AC) che corrisponde alla frequenza, alla fase e alla tensione della rete elettrica. Questa energia viene quindi reimmessa direttamente in rete, consentendo il riciclo energetico e risolvendo alla radice il problema del “pumping” della tensione sul bus DC, garantendo al contempo un significativo risparmio energetico. Come soluzione di frenatura di fascia alta nei sistemi con variatori di frequenza (VFD), supporta il funzionamento del motore a quattro quadranti ed è ideale per applicazioni industriali che coinvolgono carichi gravitazionali (energia potenziale) o frenate frequenti.

Componenti Core

Il sistema di frenatura rigenerativa consiste principalmente di quattro parti: un’unità rigenerativa (inverter attivo), un circuito di filtro, un circuito di rilevamento e controllo e un circuito di protezione. Alcuni prodotti integrano il modulo core in un armadio di frenatura rigenerativa, adatto per scenari con convertitori di frequenza di alta potenza.

Unità Rigenerativa

Il cuore del sistema è un ponte inverter di alta potenza (composto da dispositivi di potenza come gli IGBT), fondamentale per convertire la corrente continua (DC) in alternata (AC). Controlla con precisione la frequenza, la fase e l’ampiezza della tensione invertita per allinearla ai parametri di rete.

Circuito di Filtro

Include componenti come reattanze e condensatori, utilizzati per sopprimere le armoniche generate durante il processo di inversione, ridurre l’inquinamento armonico verso la rete e stabilizzare la corrente di feedback.

Circuito di Rilevamento e Controllo

Rileva in tempo reale la tensione di rete, la frequenza, la fase e la tensione del bus DC dell’inverter. Un algoritmo di controllo a anello chiuso regola lo stato operativo del ponte inverter per garantire la sincronizzazione e la stabilità del recupero di energia.

Circuito di Protezione

Include funzioni di protezione quali sovratensione, sovracorrente, perdita di fase, errore di fase e superamento delle fluttuazioni di rete. Quando le fluttuazioni della tensione di rete superano il 15% o si verifica un guasto, interrompe immediatamente il circuito di feedback per prevenire guasti di commutazione, danni ai dispositivi e la propagazione dei guasti in rete.

1. Principio di Funzionamento

1.1. Quando il motore decelera, si arresta o rilascia energia potenziale (ad esempio, una gru che abbassa un carico o un ascensore in discesa), mantiene un’alta velocità a causa dell’inerzia meccanica. La velocità di sincronismo diventa inferiore alla velocità del rotore e il motore entra in modalità generatore. L’energia elettrica rigenerata viene raddrizzata dal diodo di ricircolo e reimmessa nel bus DC del convertitore di frequenza, causando l’aumento della tensione del bus Ud.

1.2. Quando la tensione del bus DC raggiunge la soglia di avviamento dell’unità rigenerativa, il circuito di rilevamento acquisisce i segnali di tensione, frequenza e fase della rete elettrica in tempo reale, e il circuito di controllo attiva il ponte inverter dell’unità rigenerativa.

1.3. Il ponte inverter converte l’energia elettrica rigenerativa sul bus DC in corrente alternata trifase con la stessa frequenza, fase e ampiezza della rete elettrica. Dopo che il circuito di filtro ha rimosso le armoniche, l’energia elettrica viene reimmessa nella rete, realizzando il recupero energetico.

1.4. Quando la tensione del bus DC scende alla soglia di arresto dell’unità rigenerativa, il ponte inverter smette di funzionare e il processo di feedback viene interrotto. Se la tensione del bus sale di nuovo, il processo sopra descritto si ripete, stabilizzando sempre la tensione del bus DC entro un intervallo di sicurezza.

2. Processo di Frenatura

2.1. Generazione di Energia: Il motore opera in stato di frenatura rigenerativa, restituendo energia al circuito DC del VFD e causando il continuo aumento della tensione del bus DC.

2.2. Trigger di Soglia: Quando la tensione del bus raggiunge la tensione di avvio preimpostata dell’unità di recupero, il circuito di rilevamento avvia il campionamento in tempo reale dei parametri di rete e il circuito di controllo entra in stato operativo.

2.3. Inversione Attiva: Il ponte inverter converte la potenza DC in potenza AC conforme agli standard di rete basandosi sul segnale di campionamento, e dopo il filtraggio, la reimmette in rete.

2.4. Stabilizzazione della Tensione: Man mano che l’energia rigenerativa viene restituita, la tensione del bus DC diminuisce gradualmente. Quando scende alla soglia di arresto, l’unità rigenerativa interrompe l’inversione.

2.5. Monitoraggio Ciclico: Il sistema monitora continuamente la tensione del bus. Se raggiunge nuovamente la soglia di avvio, il processo di inversione e feedback si ripete, bilanciando dinamicamente la tensione del bus per garantire il funzionamento sicuro del VFD e del motore.

3. Caratteristiche della Frenatura

3.1. Recupero Energetico ed Efficienza: L’energia elettrica rigenerata viene reimmessa direttamente in rete e può essere riutilizzata. Rispetto alla frenatura dinamica, non c’è spreco di energia. In scenari con frenate frequenti e carichi ad alta inerzia o potenziale, l’effetto di risparmio energetico è significativo.

3.2. Assenza di Perdite di Calore: Poiché non vengono utilizzate resistenze per la dissipazione, si evita una generazione sostanziale di calore. Ciò elimina la necessità di apparecchiature di raffreddamento aggiuntive, migliora l’ambiente operativo e riduce i costi di condizionamento.

3.3. Coppia di Frenatura Stabile e Quattro Quadranti: L’uscita della coppia è stabile durante la frenata, consentendo il funzionamento a quattro quadranti (rotazione avanti/indietro, trazione/frenatura). Ideale per gru, ascensori, argani da miniera e carichi che richiedono inversioni frequenti.

3.4. Bassi Costi Operativi a Lungo Termine: Sebbene l’investimento iniziale sia più elevato, i benefici del risparmio energetico compensano il costo dell’attrezzatura durante l’intero ciclo di vita. Inoltre, non è necessario sostituire le resistenze di frenatura, riducendo i costi di manutenzione.

4. Selezione e Precauzioni d’Uso

4.1. Criteri di Selezione

Parametri di Rete: Confermare il livello di tensione, il numero di fasi e l’intervallo di fluttuazione per garantire la conformità al requisito di stabilità del ±15%;
Potenza Rigenerativa: Calcolare la potenza di picco e media dell’energia rigenerata in base alla potenza nominale del motore, alla frequenza di frenata e al tempo di decelerazione;
Caratteristiche del Carico: Per carichi gravitazionali, considerare la potenza rigenerativa corrispondente alla massima velocità di discesa, riservando un margine di potenza da 1,2 a 1,5 volte;
Mitigazione delle Armoniche: Selezionare reattanze e filtri appropriati in accordo con gli standard armonici lato rete.

4.2. Precauzioni per l’Uso

4.2.1. Durante l’installazione, configurare un interruttore di isolamento tra l’unità rigenerativa e la rete. Assicurarsi che il cablaggio al bus DC del VFD abbia una sezione adeguata per minimizzare le perdite di linea.

4.2.2. Ispezionare periodicamente i componenti di potenza e gli elementi di rilevamento, sostituendo tempestivamente le parti usurate per prevenire guasti che potrebbero influenzare la rete.

4.2.3. In caso di reti instabili, è possibile configurare uno stabilizzatore di tensione aggiuntivo per migliorare l’adattabilità del sistema.

4.2.4. Il sistema di frenatura rigenerativa richiede una messa a terra separata e indipendente da quella dell’inverter per prevenire interferenze.

5. Scenari Applicativi

La frenatura rigenerativa è adatta per scenari industriali con reti elettriche stabili, frenate/inversioni frequenti e requisiti di risparmio energetico elevati. È compatibile principalmente con carichi gravitazionali e ad alta inerzia, tra cui:

5.1. Attrezzature di sollevamento: ascensori, scale mobili, gru, gru a torre, argani da miniera, piattaforme di sollevamento idrauliche;

5.2. Apparecchiature di trasmissione ad alta inerzia: grandi centrifughe, laminatoi, unità di pompaggio petrolifero, gru a portale portuali;

5.3. Apparecchiature con frequenti inversioni: mandrini di macchine utensili, sistemi di trasporto metallurgici, trasportatori a raschiamento minerari.

Scenari non adatti: Condizioni operative con fluttuazioni significative della tensione di rete o grave inquinamento armonico; carichi generici sensibili ai costi e con bassa frequenza di frenata (es. piccoli ventilatori, pompe standard); sistemi VFD standalone senza capacità di feedback in rete.

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