Guida alla protezione di un convertitore di frequenza variabile dal surriscaldamento

I convertitori di frequenza variabili sono un argomento molto importante per i tecnici della manutenzione industriale e gli ingegneri degli impianti. I progressi della tecnologia dei convertitori di frequenza e la riduzione dei prezzi stanno portando a una rapida adozione del mercato. I risparmi energetici possono generare un periodo di ammortamento di mesi e i convertitori a frequenza variabile consentono un controllo preciso dei motori in molte applicazioni di processo industriale.

Ma i convertitori di frequenza sono anche «caldi» nel senso letterale del termine: l'elettronica avanzata racchiude un maggior numero di componenti semiconduttori in un fattore di forma più piccolo, con conseguente generazione di calore più intenso. Le temperature elevate degradano le prestazioni, compromettono l'affidabilità operativa e riducono la durata del dispositivo. Possono verificarsi le seguenti situazioni guasti agli inverter per surriscaldamento

Sono stati dimostrati diversi metodi di raffreddamento efficaci, tra cui il raffreddamento passivo con ventilatori e scambiatori di calore e il raffreddamento attivo con aria condizionata e raffreddamento ad acqua.

Purtroppo, la determinazione del carico di raffreddamento può essere un po' confusa. I calcoli sono inutilmente complicati dalla combinazione di sistemi di misurazione, con unità imperiali (HP, BTU, CFM) mescolate con unità metriche (watt), e la conversione si perde nella traduzione.

Per questo motivo, noi di Technology for Industry abbiamo sviluppato delle linee guida pratiche e semplici per la selezione e il dimensionamento delle soluzioni di raffreddamento per gli azionamenti a frequenza variabile.

Le custodie di protezione causano il surriscaldamento dei convertitori di frequenza

La sfida fondamentale nella protezione dei convertitori di frequenza variabili dal surriscaldamento deriva dal fatto che in genere devono essere collocati in un involucro per proteggerli dall'ambiente circostante. Questi involucri trattengono il calore, rendendo necessaria una protezione contro il surriscaldamento.

Le custodie NEMA 12 sono in genere specificate per proteggere dai rischi più comuni, come la polvere trasportata dall'aria, l'acqua che gocciola e la condensa di liquidi non corrosivi. Sempre più spesso, le tecnologie avanzate dei nuovi azionamenti a frequenza variabile, come le fibre ottiche, richiedono custodie con livelli di protezione superiori.

Con l'adozione diffusa della tecnologia dei convertitori di frequenza variabili, molte applicazioni richiedono quadri elettrici progettati appositamente per ambienti difficili, dai quadri per esterni resistenti alle intemperie e agli urti ai quadri in acciaio inox sigillati ermeticamente per gli impianti di produzione alimentare che devono resistere alla pulizia con getti d'acqua. Quando un involucro diventa più ermetico, trattiene naturalmente più calore a causa della ridotta dissipazione passiva, creando una maggiore difficoltà di raffreddamento.

CONTENUTO UTILE - Monitoraggio della temperatura dei pannelli di controllo per gli inverter di frequenza

Dimensioni del quadro elettrico

Anche le dimensioni del pannello di controllo sono molto importanti. Negli ultimi anni, le dimensioni tipiche dei quadri sono state drasticamente ridotte per adattarsi a spazi più piccoli e per risparmiare sul costo del quadro. In un quadro di grandi dimensioni, immaginate uno spazio grande come una stanza, la differenza di temperatura tra la superficie del pavimento e quella del soffitto provoca un leggero flusso d'aria chiamato convezione naturale. Più lo spazio è piccolo, meno gli oggetti possono beneficiare di questo effetto di raffreddamento. Senza un flusso d'aria adeguato, è più probabile che sulla superficie e all'interno dei convertitori di frequenza si sviluppino fenomeni noti come «punti caldi», che possono danneggiare i componenti elettronici sensibili.

Il fattore di forma più piccolo degli inverter e dei loro involucri contribuisce al surriscaldamento anche in un altro modo: un involucro più piccolo significa che c'è meno superficie esterna disponibile per trasferire il calore all'aria circostante. Tutti questi fattori rendono necessarie soluzioni di raffreddamento efficaci e affidabili.

Rapida adozione degli azionamenti a frequenza variabile

L'efficienza energetica degli azionamenti a frequenza variabile non è solo vantaggiosa per le singole aziende, ma è anche fondamentale per affrontare il cambiamento climatico.

In tutto il mondo, circa un quarto di tutta l'energia elettrica viene utilizzata per alimentare i motori nelle applicazioni industriali. Negli Stati Uniti, si stima che 40 milioni di motori consumino da 60% a 65% di tutta l'energia elettrica. Tre quarti di questi motori sono carichi di ventilatori, pompe e compressori a coppia variabile, i tipi di applicazioni che si prestano all'efficienza energetica offerta dai convertitori di frequenza variabili.

Attualmente, solo circa 3% di motori in c.a. sono controllati da azionamenti a frequenza variabile, ma circa 30% - 40% dei nuovi motori installati ogni anno hanno un azionamento a frequenza variabile. Secondo un rapporto del 2021 di Research Dive, si stima che il mercato globale degli azionamenti a frequenza variabile crescerà di circa 5% all'anno per raggiungere 25 miliardi di dollari entro il 2027.

Il risparmio energetico è impressionante. Gli azionamenti a frequenza variabile riducono il consumo energetico consentendo ai motori elettrici di funzionare a velocità inferiori a quella massima. I motori a induzione CA di base sono progettati per funzionare a velocità costante, ma nell'uso reale i requisiti di velocità fluttuano e la velocità massima viene generalmente utilizzata solo per circa 10% del tempo. L'inefficienza intrinseca è evidente, come se il motore di un'automobile funzionasse con il contagiri sempre al massimo dei giri.

CONTENUTI UTILI - Utilizzo dei variatori di frequenza per il risparmio energetico nelle applicazioni industriali

Il risparmio energetico può essere calcolato utilizzando le leggi di affinità: l'energia elettrica consumata è proporzionale al cubo della velocità di rotazione. Pertanto, riducendo la velocità di una pompa o di un ventilatore a 75% si riduce il consumo energetico di quasi 60%.

Quando scegliere il raffreddamento passivo e quando quello attivo del convertitore di frequenza

Esistono due diversi tipi di raffreddamento per proteggere le unità dal surriscaldamento: il primo è il raffreddamento passivo e il secondo è il raffreddamento attivo. Entrambi i tipi utilizzano la Seconda Legge della Termodinamica, che in parole povere afferma che l'energia si sposta da una fonte più alta a una più bassa. Il raffreddamento passivo utilizza il percorso naturale di trasferimento del calore, in cui il calore si sposta dalla sorgente a temperatura più alta a quella a temperatura più bassa. Un buon esempio è rappresentato dai ventilatori a filtro. Questi ventilatori spostano l'aria ambiente più fredda all'interno di una struttura, dove l'aria assorbe il calore fino a quando non viene espulsa e il calore viene dissipato nell'ambiente circostante.

Il raffreddamento attivo richiede una fonte di energia per creare un percorso di trasferimento del calore. Questo è comunemente ottenuto attraverso l'uso di un ciclo a compressione di vapore. Un ciclo a compressione di vapore è composto da quattro parti principali: un compressore, un condensatore, un dispositivo di strozzamento e un evaporatore. Il ciclo inizia con il compressore, dove viene introdotta energia nel sistema. Il refrigerante entra nel compressore a bassa pressione e bassa temperatura, dove viene compresso, facendo uscire il refrigerante dal compressore ad alta pressione e alta temperatura. Il refrigerante passa quindi attraverso il condensatore, dove il calore viene rimosso e il refrigerante viene convertito in un liquido saturo o sottoraffreddato. Successivamente, il refrigerante passa attraverso un dispositivo di strozzamento, dove la pressione e la temperatura diminuiscono. Infine, il refrigerante passa attraverso l'evaporatore, dove assorbe calore e viene convertito in un gas a bassa pressione e bassa temperatura, consentendo al ciclo di ripetersi.

Decidere quando utilizzare il raffreddamento passivo e quando quello attivo è abbastanza semplice. Se la temperatura ambiente è inferiore alla temperatura target dell'involucro o se è disponibile una fonte di acqua raffreddata passivamente, è possibile utilizzare il raffreddamento passivo, che è auspicabile per risparmiare energia. Il raffreddamento passivo consuma molta meno energia rispetto a quello attivo, poiché non richiede l'introduzione di energia nel sistema per consentire un percorso di trasferimento del calore. Se la temperatura ambiente è superiore alla temperatura target dell'involucro o se non è disponibile una fonte d'acqua raffreddata passivamente, è necessario utilizzare un sistema di raffreddamento attivo.

Come calcolare i requisiti di raffreddamento per proteggere gli inverter dal surriscaldamento

Ecco un modo semplice per calcolare i requisiti di raffreddamento per i metodi di raffreddamento attivo e passivo.

Regola empirica per il raffreddamento attivo del convertitore di frequenza

I drive a frequenza variabile sono solitamente dimensionati in cavalli vapore (HP) e i sistemi di raffreddamento sono misurati in unità termiche britanniche (BTU, o BTU/h per BTU all'ora). Ma come si fa a convertire i cavalli in BTU/h? Ecco una regola empirica per il condizionamento dell'aria e il raffreddamento dell'acqua:

Regola empirica per il raffreddamento passivo

Per le soluzioni di raffreddamento passive, la regola empirica è la seguente:

Sono necessari 4 CFM per 1 HP per mantenere una differenza di temperatura di 10°C rispetto alla temperatura ambiente nell'involucro.

In altre parole, per un inverter da 100 CV sono necessari 100 CFM. Questa regola empirica è calcolata in base alla seguente equazione: 1 CFM = 1,82 x watt di perdita di calore / Δ Temp (°C)

Queste guide pratiche forniscono indicazioni generali per la scelta di un metodo di raffreddamento e per il dimensionamento dei requisiti di carico di raffreddamento. Per calcoli più precisi che tengano conto della temperatura ambiente, dell'umidità e di altre considerazioni critiche, offriamo gratuitamente il software di dimensionamento Pfannenberg.

Semplificando il calcolo dei requisiti di raffreddamento, prevediamo che l'adozione della tecnologia di azionamento a frequenza variabile continuerà a crescere rapidamente, con gli utenti che potranno beneficiare di prestazioni massime e di una maggiore durata.

Proteggere un convertitore di frequenza variabile dal surriscaldamento è fondamentale per garantire prestazioni ottimali e lunga durata. I progressi della tecnologia dei convertitori di frequenza e la loro ampia diffusione sul mercato hanno determinato la necessità di soluzioni di raffreddamento efficaci. Sia il raffreddamento passivo che quello attivo sono metodi praticabili, ciascuno con i propri vantaggi.

Il raffreddamento passivo sfrutta il flusso naturale del calore e non richiede una fonte di energia aggiuntiva. I ventilatori a filtro sono un esempio di raffreddamento passivo che sfrutta l'aria ambiente più fredda per dissipare il calore. Per calcolare i requisiti di raffreddamento passivo si può utilizzare la regola empirica di 4 CFM per 1 HP per mantenere una differenza di temperatura di 10°C rispetto alla temperatura ambiente del locale.

Il raffreddamento attivo, invece, richiede una fonte di energia per creare un percorso di trasferimento del calore. I sistemi di condizionamento dell'aria e il raffreddamento ad acqua sono esempi di raffreddamento attivo che utilizzano cicli a compressione di vapore. Per calcolare i requisiti di raffreddamento attivo, si può utilizzare la regola empirica di 75 BTU/h per 1 CV.

È importante considerare le dimensioni dell'involucro elettrico, poiché gli spazi più piccoli possono avere una minore capacità di raffreddamento per convezione naturale. Inoltre, gli involucri più sigillati trattengono più calore, aumentando la sfida del raffreddamento.

In generale, si prevede che l'adozione della tecnologia dei convertitori di frequenza variabili continuerà a crescere grazie ai suoi vantaggi in termini di risparmio energetico. Calcolando e selezionando correttamente le soluzioni di raffreddamento, gli utenti potranno massimizzare le prestazioni dei loro convertitori di frequenza e garantirne la durata in un ambiente operativo ottimale.