Motore asincrono trifase con inverter: vantaggi, limiti e applicazioni
Collegare un inverter a un motore non vuol dire soltanto poter cambiare i giri con una manopola. Cambiano l’avviamento, il raffreddamento, le sollecitazioni sull’isolamento e anche i criteri con cui scegliere cavi, filtri e cuscinetti.
Un motore asincrono trifase con inverter può adattarsi meglio al processo, ridurre gli strappi meccanici e consumare meno quando non serve lavorare sempre alla massima velocità. Il risultato, però, dipende da come viene usato. Un azionamento impostato male può far scaldare il motore, generare disturbi o lasciare poca coppia proprio nel momento più delicato.
La velocità dipende dalla frequenza, ma non solo
Nel motore asincrono, la velocità del campo magnetico dipende dalla frequenza e dal numero di poli. Il rotore gira un po’ più lentamente: questa differenza, chiamata scorrimento, è necessaria per produrre coppia. Variando frequenza e tensione, l’inverter modifica quindi la velocità di funzionamento.
Il principio è semplice. La difficoltà sta nel mantenere un rapporto corretto tra tensione e frequenza, limitare la corrente e mantenere il flusso magnetico entro i valori previsti.
Per pompe e ventilatori, dove il carico cambia lentamente, può essere sufficiente un controllo scalare V/f. Un trasportatore carico, un avvolgitore o una macchina che deve reagire rapidamente possono richiedere un controllo vettoriale. Se servono bassissima velocità, precisione elevata o controllo della posizione, può essere utile un encoder.
Il controllo velocità motore va quindi scelto in base alla dinamica reale dell’applicazione. Un sistema più complesso non è automaticamente migliore: se i parametri non vengono regolati bene, può creare più problemi che vantaggi.
L’avviamento diventa più graduale
Con l’avviamento diretto, il motore viene collegato alla rete e può assorbire una corrente elevata, producendo anche un’accelerazione brusca. L’inverter aumenta frequenza e tensione secondo una rampa, rendendo più progressiva la crescita della coppia.
Questo aiuta a proteggere giunti, cinghie, riduttori e materiale trasportato. Su una pompa può ridurre i colpi d’ariete; su un nastro evita partenze troppo aggressive. Non significa, però, che la corrente scompaia: il motore deve comunque fornire la coppia necessaria ad accelerare il carico.
Una rampa troppo breve può portare il drive al limite di corrente. Una rampa troppo lunga può mantenere il motore per troppo tempo in una condizione poco favorevole al raffreddamento e potrebbe non superare la coppia resistente. Il tempo corretto dipende da inerzia, carico e capacità di sovraccarico dell’azionamento.
Per un motore asincrono trifase con inverter, la verifica deve riguardare tutta la fase di accelerazione. Confrontare soltanto i kW del motore e del convertitore non è sufficiente: servono corrente nominale, corrente di sovraccarico, coppia disponibile, inerzia e numero di partenze.
Il risparmio energetico dipende dal tipo di carico
Il vantaggio più evidente si trova spesso su ventilatori e pompe centrifughe. Quando il processo richiede meno portata, ridurre la velocità può evitare di dissipare energia attraverso serrande o valvole. In condizioni favorevoli, la potenza assorbita diminuisce molto rapidamente al diminuire dei giri.
Non esiste però una percentuale valida per tutti gli impianti. Il risparmio dipende dal profilo di carico, dalla prevalenza statica, dal punto di lavoro, dalle ore di funzionamento e dal sistema di regolazione usato in precedenza.
Su un trasportatore a coppia quasi costante, rallentare spesso significa ridurre anche la produzione. L’energia consumata per unità di materiale può quindi cambiare poco. Se una macchina lavora sempre alla velocità nominale, l’inverter introduce comunque alcune perdite senza offrire un reale vantaggio di regolazione.
Un motore con inverter consente di risparmiare quando la velocità variabile risponde a una necessità concreta del processo. Prima di scegliere il drive conviene chiedersi quante ore la macchina possa lavorare più lentamente senza compromettere il risultato.
A bassa velocità il problema può diventare il calore
Nei motori autoventilati, la ventola di raffreddamento è montata sull’albero. Quando il motore rallenta, diminuisce anche l’aria che attraversa la carcassa. Se il carico continua a richiedere molta coppia, la corrente può restare elevata mentre la capacità di smaltire il calore diminuisce.
Per brevi periodi il problema può essere limitato. Se il motore deve lavorare a lungo a bassa velocità, possono servire un declassamento, una ventilazione indipendente o un motore progettato per quel campo di funzionamento. La scelta va fatta sulla curva di caricabilità del costruttore, non fissando una frequenza minima a intuito.
Anche un motore trifase asincrono della stessa serie può richiedere una ventilazione diversa se lavora a 15 Hz invece che a 45 Hz. Il dato importante è il punto di lavoro complessivo.
Temperatura ambiente, altitudine e condizioni dell’aria incidono sul margine disponibile. Un motore installato in un ambiente caldo o polveroso può raggiungere il limite termico molto prima.
Oltre la frequenza nominale la coppia cala
Fino alla frequenza di base, l’inverter può mantenere un rapporto tensione-frequenza adatto al flusso richiesto. Oltre quel valore, la tensione non può aumentare allo stesso ritmo e il motore entra nella zona di indebolimento di campo.
In questa zona la potenza può rimanere quasi costante per un certo intervallo, mentre la coppia disponibile diminuisce all’aumentare della velocità. È un aspetto importante per mandrini, centrifughe e macchine che devono superare i giri nominali.
Aumentare la frequenza non significa però che la macchina possa girare senza limiti. Rotore, ventola, cuscinetti, giunti e organi della trasmissione hanno velocità massime ammissibili. Possono comparire vibrazioni, velocità critiche o carichi più elevati. Su pompe e ventilatori, pochi giri in più possono far crescere rapidamente la potenza richiesta.
La velocità massima di un motore asincrono trifase con inverter deve quindi essere autorizzata dal costruttore e verificata sull’intera trasmissione. Il limite del convertitore non coincide necessariamente con il limite sicuro della macchina.
Il PWM sollecita motore e isolamento
L’uscita dell’inverter non è una sinusoide uguale a quella della rete. È composta da impulsi PWM con fronti molto rapidi. Questi impulsi possono aumentare le perdite nel rame e nel ferro e, di conseguenza, la temperatura del motore.
La IEC 60034-2-3:2024 definisce metodi specifici per valutare perdite ed efficienza dei motori alimentati da convertitore, considerando diversi punti di coppia e velocità. L’efficienza, quindi, non è un valore unico valido in ogni condizione. IEC 60034-2-3:2024
I fronti di tensione e le riflessioni lungo il cavo possono inoltre aumentare la sollecitazione sui morsetti e sulle prime spire dell’avvolgimento. Il rischio dipende da tensione, tecnologia del drive, frequenza di commutazione, lunghezza del cavo e caratteristiche del motore.
La IEC TS 60034-25:2022 descrive le prestazioni delle macchine alimentate da convertitore e l’interazione tra motore, drive e installazione. In base al sistema possono essere necessari isolamento rinforzato, reattanza d’uscita, filtro dV/dt o filtro sinusoidale. IEC TS 60034-25:2022
Non esiste un filtro adatto a ogni impianto. Prima bisogna conoscere i dati del motore, del convertitore e del collegamento.
Correnti nei cuscinetti: un rischio da considerare
Le tensioni di modo comune generate dal convertitore possono creare una tensione sull’albero. Se questa supera la capacità isolante del film lubrificante, una scarica può attraversare il cuscinetto e danneggiare le piste. Nel tempo possono comparire rumore, vibrazioni e usura precoce.
Il rischio non è uguale per tutti i motori. Potenza, tensione, lunghezza del cavo, messa a terra, tipo di cuscinetto e disposizione meccanica influenzano il percorso della corrente.
Cuscinetto isolato, anello di messa a terra e filtro di modo comune sono soluzioni diverse. Se applicate senza analizzare l’intero sistema, possono anche spostare la corrente verso un altro componente. Cablaggio simmetrico, schermatura e collegamenti di terra a bassa impedenza fanno parte della protezione.
Per scegliere le contromisure adatte a un motore asincrono trifase con inverter, è utile seguire le indicazioni coordinate del produttore del motore e del drive. Anche ABB sottolinea l’importanza di distinguere i diversi percorsi delle correnti nei cuscinetti prima di intervenire. ABB: correnti nei cuscinetti
Il drive si dimensiona sulla corrente e sul carico
Due motori da 15 kW possono richiedere inverter diversi. Uno può azionare una pompa con sovraccarico limitato; l’altro può avviare un nastro pieno o accelerare una massa elevata. La potenza nominale è la stessa, ma corrente e ciclo di lavoro cambiano.
Il convertitore va verificato per corrente continua, sovraccarico, tensione di rete, metodo di controllo e temperatura del quadro. Vanno considerate anche frequenza di commutazione, filtri, lunghezza dei cavi e capacità di raffreddamento.
Anche la decelerazione richiede attenzione. Un carico con grande inerzia restituisce energia al drive durante il rallentamento. Se il bus in continua non riesce ad assorbirla, può verificarsi una sovratensione. In base al caso possono servire rampe più lunghe, chopper e resistenza di frenatura oppure un sistema rigenerativo.
Su sollevamenti, centrifughe, nastri inclinati e avvolgitori, trascurare questa energia può causare allarmi, arresti imprevisti o movimenti non controllati. Quando è presente un freno meccanico, il suo funzionamento deve essere coordinato con il comando elettrico.
Quale tipo di controllo scegliere
Il controllo V/f è semplice e adatto a molte pompe, ventilatori e applicazioni in cui piccole variazioni di velocità non creano problemi. Il controllo vettoriale senza sensore offre una stima più precisa del flusso e della coppia, utile quando il carico cambia o la velocità deve rimanere stabile.
Con un encoder si ottiene un riferimento diretto della velocità. Può essere necessario a bassi giri, negli avvolgitori, nei sollevamenti, nei sistemi sincronizzati o nelle lavorazioni che richiedono una risposta precisa.
La scelta non dovrebbe partire dal nome commerciale dell’algoritmo. È meglio partire da velocità minima, precisione richiesta, coppia di avviamento, dinamica e possibilità di installare un sensore.
Un motore con inverter regolato con una soluzione semplice ma coerente con il carico può funzionare meglio di un sistema sofisticato lasciato con parametri generici.
Dove la soluzione offre vantaggi concreti
Su ventilatori e pompe, la regolazione della velocità permette di seguire meglio portata e pressione richieste dal processo. Nei compressori può rendere più graduali gli avviamenti e, quando la macchina lo consente, adattare la capacità.
Nei trasportatori riduce gli urti, facilita partenze e arresti e permette di coordinare più sezioni della linea. Su gru e sollevamenti servono invece verifiche più severe su coppia, frenatura, sicurezza e rigenerazione.
Macchine utensili, impianti tessili, cartiere, miscelatori e avvolgitori possono usare la variazione di velocità per adattare il processo. Ogni applicazione, però, ha una curva di carico diversa. Chiamarle tutte semplicemente “regolazione industriale” non aiuta a dimensionare il sistema.
Il controllo velocità motore è davvero utile quando viene collegato a una variabile concreta: portata, pressione, tensione del materiale, posizione o produttività. Se l’operatore imposta sempre 50 Hz, gran parte del potenziale dell’inverter rimane inutilizzato.
Parametri da verificare durante la messa in servizio
Nel convertitore devono essere inseriti correttamente i dati di targa: tensione, corrente, frequenza, velocità e potenza. Alcuni sistemi prevedono una procedura di identificazione del motore. Va eseguita nelle condizioni indicate dal produttore, soprattutto quando si utilizza il controllo vettoriale.
Occorre poi impostare velocità minima e massima, rampe, limite di corrente, protezione termica, frequenza di commutazione e comportamento dopo un’interruzione di rete. Il senso di rotazione va controllato prima di collegare il motore a processi nei quali un’inversione può causare danni.
Durante le prime prove è utile registrare corrente, temperatura, velocità, vibrazioni e allarmi in diversi punti di lavoro. Un impianto che funziona per dieci minuti a vuoto non è ancora stato verificato.
La scelta parte dal processo
Per configurare un motore asincrono trifase con inverter, EMOTRA raccoglie i dati relativi a velocità minima, nominale e massima, coppia continua e di picco, ciclo di lavoro, accelerazione, frenatura e condizioni ambientali. Servono anche tensione, lunghezza del cavo, tipo di carico e metodo di controllo desiderato.
EMOTRA valuta motore e convertitore come un unico sistema, senza dare per scontato che la stessa potenza significhi la stessa compatibilità. Un altro motore trifase asincrono può richiedere una curva di caricabilità, una ventilazione o una protezione dei cuscinetti completamente diversa.
Il drive deve regolare il processo senza consumare il margine termico e meccanico della macchina. È questo il criterio con cui EMOTRA valuta vantaggi e limiti prima di proporre una configurazione.