Quali sono i tre tipi di VFD?

Introduzione - Cosa significa “VFD” nei sistemi elettrici?

Azionamento a frequenza variabile (VFD) Essenzialmente è un convertitore di frequenza di potenza elettrica: converte l'alimentazione in corrente alternata in corrente continua e poi di nuovo in corrente alternata, rimodellando l'alimentazione in uscita a frequenza/tensione variabile (intervallo 0-650Hz), ottenendo così la regolazione continua della velocità del motore di controllo VFD. La definizione di azionamento a frequenza variabile si riferisce a questo tipo di sistema di regolazione a semiconduttori (noto anche come azionamento a frequenza regolabile), che appartiene alla categoria elettrica dei tipi di azionamenti a velocità variabile. Il suo valore fondamentale consiste nell'eliminazione della corrente d'urto all'avvio del motore (80%), consentendo ai carichi industriali di soddisfare con precisione i requisiti operativi.

Tipo 1 - Inverter a sorgente di tensione (VSI) VFD

Principio di funzionamento

Una delle topologie principali dei moderni azionamenti a frequenza variabile (VFD), la sua essenza consiste nel convertire l'alimentazione CC rettificata (mantenuta a una tensione stabile dai condensatori) in sequenze di impulsi ad alta frequenza tramite la tecnologia VFD PWM; il controllore dell'azionamento a frequenza variabile regola l'ampiezza degli impulsi e il rapporto di intervallo per sintetizzare dinamicamente la tensione (0-480 V) e la frequenza (0-650 Hz) richieste sotto forma di un'onda sinusoidale equivalente, ottenendo così una regolazione continua del controllo del motore VFD.

Vantaggi

• Efficienza del sistema >92% (basata su moduli inverter Si-IGBT)
• Tasso di distorsione della forma d'onda in uscita <5% (conforme allo standard IEEE 519)
• Precisione del controllo di velocità VFD fino a ±0,5% (rispetto a ±5% per il controllo di velocità idraulico)
• Compatibile con i motori trifase 380V standard senza modifiche

Svantaggi

• La tolleranza della tensione di rete è di soli ±10% (il superamento di questo intervallo può far scattare la protezione da sottotensione)
• La PWM ad alta frequenza può causare rischi per la corrente dei cuscinetti del motore (richiede la soppressione del filtro di modo comune)
• THDi armonico della corrente di ingresso > 35% (richiede una reattanza di ingresso esterna da 12%)

Scenari di applicazione

Come tipico rappresentante dell'inverter a tensione variabile e frequenza variabile, domina i seguenti campi:

• Sistemi HVAC: Refrigerato pompa dell'acqua frequenza da 50Hz a 35Hz, consumo energetico ↓42%
• ​Ventilatori centrifughi: Serranda ad apertura totale + controllo della velocità a frequenza variabile, tasso di risparmio energetico completo ≥28%
• ​Stazioni di pompaggio per l'approvvigionamento idrico: Regolazione adattiva del flusso in modalità pressione costante (risposta 0-100Hz)

Tipo 2 - Inverter di sorgente di corrente (CSI) VFD​

Principio di funzionamento

Il convertitore di frequenza CSI funziona in modo analogo a un VFD a sorgente di tensione, come un timoniere che guida un fiume di energia. Il lato raddrizzatore utilizza l'accumulo di energia induttiva per sostituire i condensatori, stabilendo una fonte stabile di corrente continua (anziché una tensione costante), che viene poi indirizzata attraverso la tecnologia di commutazione a tiristori per controllare il flusso di corrente.
La forma d'onda rettangolare della corrente in uscita viene regolata con precisione dal sistema di controllo VFD in termini di ampiezza (anziché di larghezza dell'impulso PWM), rendendola particolarmente adatta ai requisiti di avvio di carichi ad alta inerzia come i mulini a sfere.

Vantaggi

• Supporta il funzionamento a quattro quadranti (feedback energetico alla rete 100%)
• Resiste ai picchi di corrente 200% (fluttuazioni istantanee nei forni metallurgici ad arco)
• Resistenza naturale di cortocircuito (l'induttore sopprime il di/dt)
• Gamma di potenza: 0,5-50 MW (ben oltre il limite di 0,75 MW del VSI)

Svantaggi

• 40% volume maggiore rispetto a VSI (i componenti di induttanza occupano spazio)
• Richiede un motore dedicato per il controllo del motore a frequenza variabile (i motori normali sono soggetti a saturazione magnetica).
• Armoniche in uscita > 25% (configurazione obbligatoria del raddrizzatore a 12 impulsi)
• Limite minimo di velocità di 15 Hz (inferiore ai 5 Hz del VSI)

Scenari di applicazione

Scelta preferenziale per le fonti di energia di base dell'industria pesante su larga scala:

• ​Compressori per miniere: Frenatura rigenerativa per unità di compressione a vite di classe 2000 kW
• ​Laminatoi metallurgici: Soppressione delle pulsazioni di coppia (fluttuazione <3%)
• ​Mulini a tubi per cemento: Coppia di avviamento fino a 300% del valore nominale

Tipo 3 - VFD a modulazione di larghezza di impulso (PWM)

Principio di funzionamento

Come soluzione mainstream con una quota di mercato di oltre 85%, il VFD a modulazione di ampiezza di impulsi è come un artista del mosaico nel campo dell'elettronica di potenza: utilizza moduli IGBT per commutare la tensione del bus CC a una velocità ultraelevata di 3-15 kHz, generando sequenze di impulsi a livello di microsecondi con larghezze precise e controllabili.L'algoritmo dell'inverter a frequenza variabile calcola in tempo reale le strategie di combinazione dell'ampiezza di impulsi per rendere la forma d'onda in uscita infinitamente vicina a una curva sinusoidale (THD < 5%), ottenendo una regolazione continua della coppia/velocità del motore.

Vantaggi

• pwm vfd Qualità ottimale della forma d'onda in uscita (rispetto all'onda rettangolare CSI/VSI step wave)
• Controllo della velocità vfd Precisione fino a ±0,1% (modalità di controllo vettoriale)
• Rumore di funzionamento del motore ≤65 dB (frequenza portante regolabile)
• Densità di potenza compatta fino a 2,8 kVA/kg (4 volte superiore a CSI)

Svantaggi

• Genera 3-150 armoniche ad alta frequenza (richiede una reattanza di ingresso da 12% per sopprimere THDi <8%)
• Progettazione complessa della compatibilità elettromagnetica (installazione obbligatoria di filtri RFI)
• La sollecitazione dv/dt accelera l'invecchiamento dell'isolamento del motore (＞5 kV/μs)

Scenari di applicazione

Il leader assoluto nel controllo di precisione della velocità:

• Automazione degli edifici: AscensoriAzionamento vettorialePrecisione di livellamento del pavimento ±3 mm
• ​Linee di confezionamento per alimenti: Tempo di risposta del servocontrollo sincrono ＜2 ms
• ​Macchine utensili CNC: Velocità del mandrino 0-6000 rpm commutazione continua

Tabella di confronto dei tre tipi di VFD

Come scegliere il tipo di VFD giusto per la vostra applicazione

I criteri di selezione si basano sulle caratteristiche del carico e sui requisiti di potenza: Carichi a coppia variabile (tifosi/pompe) dovrebbe dare priorità al tipo PWM VFD HVAC (50Hz → 40Hz risparmio energetico > 35%, standard per gli azionamenti HVAC), i cui azionamenti VFD si integrano perfettamente con i sistemi VFD trifase standard industriali (copertura trifase 380V > 90% delle applicazioni); i carichi d'urto come i frantoi richiedono la topologia CSI (in grado di sopportare picchi di corrente di 300% per 2 secondi). Per le apparecchiature monofase a 220V, i VFD per motori monofase sono disponibili solo fino a 3,7 kW (devono includere un modulo virtuale trifase); in caso contrario, si raccomanda l'adeguamento del motore.Installazione del VFD deve soddisfare i seguenti requisiti: 1) Capacità del trasformatore > potenza del VFD × 1,25 (THDi armonico < 8%); 2) Spazio di raffreddamento dell'armadio ≥ 30 cm (perdita termica 3% × potenza); 3) Il sistema VFD deve essere dotato di un filtro EMC (interferenze condotte ≤ 55 dBμV). Per applicazioni ad alta risposta dinamica (ad esempio, mandrini CNC), si consiglia il controllo vettoriale SiC-IGBT PWM. Per condizioni di avvio/arresto con carichi elevati, si consiglia una combinazione di tiristori CSI + motore a magneti permanenti (materiale NdFeB con resistenza alla temperatura ≤ 150°C) per rilasciare la coppia massima.

Conclusione - Tipi di VFD e loro ruolo nell'automazione moderna

Tre tipi di architetture di azionamenti a frequenza variabile (VFD) servono ciascuno a funzioni distinte: Il VSI utilizza la precisione della tensione per controllare le pompe centrifughe, il CSI impiega la rigidità della corrente per gestire i laminatoi, mentre il PWM utilizza impulsi ad alta frequenza per affinare la precisione dei CNC, il tutto realizzando fondamentalmente la rivoluzione del controllo dei motori VFD attraverso la riconfigurazione delle forme d'onda dell'energia elettrica.

Una scelta errata può portare a doppi costi: l'abbinamento errato dei componenti dell'azionamento a frequenza variabile (ad esempio, l'utilizzo di VSI per i frantoi) può causare una riduzione dell'efficienza del sistema di 25%; al contrario, pannelli di azionamento vfd distribuiti con precisione (integrati con sistemi di filtraggio EMC e di raffreddamento) possono ridurre le apparecchiature HVAC. manutenzione Affrontando la distinzione fondamentale tra VSD e VFD: i variatori di velocità meccanici (VSD) sono simili a cambi manuali, mentre il controllo VFD è simile a una trasmissione a variazione continua CVT, che utilizza una regolazione di precisione a livello di semiconduttori per stabilire le basi dell'efficienza energetica. Quando ogni motore di una fabbrica viene azionato da un VFD compatibile, la rete industriale si trasforma in un organismo intelligente e reattivo in tempo reale.