Variatore di frequenza

L’inverter  è  un  dispositivo  che  ha  cambiato  radicalmente  l’automazione  nell’industria,  introducendo  la  possibilità  di  regolare  la  velocità  dei  motori  a  induzione  con  costi  molto  contenuti  sia  di  installazione  che  di  esercizio.  Si  hanno due tipologie di inverter, quello a frequenza costante, che rappresenta un  dispositivo  elettronico  atto  a  trasformare  una  corrente  continua  in  corrente  alternata  di  forma  sinusoidale  o  pseudosinusoidale;  il  secondo  è  l’inverter  a  frequenza  variabile,  un  dispositivo  atto  alla  regolazione  della  velocità  dei  motori  elettrici  trifasi  e  monofasi.  Le  case  costruttrici,  per  separare  le  due  funzionalità, denominano quest’ultimo dispositivo “Drive” (Dal Prà, 2005). 

4.2.3.1   Principio di funzionamento 

Gli  inverter  sono  costituiti  da  un  ponte  raddrizzatore  per  convertire  la  tensione alternata di rete in una tensione continua (conversione AC/DC) e da un  ponte trifase a semiconduttori controllabili per la conversione inversa da DC a  AC a frequenza e tensione variabili. 

Il  motore  asincrono  (MA)  trifase  e  bifase  a  gabbia  (grazie  alla  sua  semplicità costruttiva, robustezza ed economia) trova largo impiego nell’ambito  industriale, come quello del settore delle pompe centrifughe. Il numero di giri  di un motore MA espressi in giri/min sono calcolabili con la seguente:  p f 60 n =       (4.1)  dove f è la frequenza della corrente elettrica in alimentazione e p il numero di  coppie di poli nell’avvolgimento statorico della macchina. Pertanto, alimentare  un motore con una corrente alternata a frequenza variabile permette di regolare  la velocità del rotore. Occorrono comunque alcuni accorgimenti per garantire al  motore  le  prestazioni  “meccaniche”  nominali,  in  quanto  la  frequenza  influisce  notevolmente sulle reattanze e sul flusso magnetico: 

‐  per valori inferiori a 50 Hz si verifica un aumento del flusso magnetico;  ‐  per valori superiori a 50 Hz risulta una diminuzione del flusso magnetico. 

Per  conservare  inalterate  le  caratteristiche  meccaniche  del  motore,  è  necessario  garantire  che  il  flusso  magnetico  rimanga  il  più  vicino  possibile  al  valore stabilito dal costruttore. Il motore trifase può, quindi, essere controllato  in  frequenza  a  patto  che  il  rapporto  (V/f)  venga  mantenuto  il  più  costante  possibile, in modo da assicurare che nel motore il flusso magnetico si mantenga  entro  i  valori  stabiliti  dal  costruttore.  Ne  consegue  che  solo  applicando  ad  un  motore  una  alimentazione  con  frequenza  e  tensione  ridotte  in  modo  proporzionale  tra  loro  si  ha  una  diminuzione  nella  velocità  del  motore,  pur  mantenendo la coppia motrice entro lo stesso valore di quella nominale. 

L’inverter  utilizzato  per  regolare  il  numero  di  giri  di  un  MA  consente  di  regolare  in  modo  proporzionale  frequenza  e  tensione  sulla  base  del  comando  esterno impartito dall’utilizzatore del sistema (inverter SCALARE). È da notare  che  quando  l’inverter  raggiunge  la  frequenza  nominale,  contemporaneamente  raggiunge  la  piena  tensione  massima  (cioè  quella  della  rete  di  alimentazione), 

dopo  tale  punto  è  possibile  aumentare  solo  la  frequenza,  ma  non  la  tensione.  L’inverter  infatti  non  può  elevare  la  tensione  ad  un  valore  più  alto  di  quello  della  rete,  che  comunque  danneggerebbe  l’isolamento  degli  avvolgimenti  del  motore.  Avviene  così  che,  aumentando  la  frequenza  oltre  a  quella  nominale,  l’inverter  non  rispetti  più  la  legge  di  proporzionalità  tra  frequenza  e  tensione,  entrando nella zona di decadimento del flusso magnetico, cui consegue un calo  della  coppia  motrice.  La  zona,  oltre  la  frequenza  nominale,  viene  anche  denominata zona a potenza costante (Fig. 4.3). 

Le  condizioni  di  utilizzo  di  una  pompa  centrifuga  sono  individuate  dall’intersezione  della  curva  delle  perdite  di  carico  del  circuito  con  la  caratteristica della pompa, che fornisce la prevalenza erogata in funzione della  portata. Si ha quindi un sistema monovariante, cioè variando la portata risulta  univocamente determinata la pressione di mandata e viceversa (Fig. 4.4). 

L’utilizzo  dell’inverter  a  frequenza  variabile  per  alimentare  il  motore  di  una  pompa  centrifuga  permette  di  traslare  la  caratteristica  verso  il  basso,  abbassando il numero dei giri e, viceversa verso l’alto, aumentando il numero  di giri. Il funzionamento della pompa si svincola dalla caratteristica fornita dal  costruttore, in quanto la variabile numero di giri permette di operare non più in  una curva, ma in una zona delimitata dal numero di giri massimo e minimo del  rotore (sistema bivariante).    

Fig. 4.3  Variazione  della  caratteristica  elettro‐meccanica  di  un  motore  asincrono  in  funzione della frequenza.                        

L’introduzione dell’inverter nell’impianto da banco si è resa necessaria per  studiare  il  processo  di  UF,  in  funzione  della  differenza  di  pressione  transmembrana e della velocità superficiale, oltre che dalla concentrazione della  soluzione e dal comportamento reologico di questa. Quindi, per effettuare una  prova  a  velocità  superficiale  costante  (portata  di  alimentazione  costante),  ma  diversa differenza di pressione transmembrana, si è seguita la retta mostrata in  Fig. _{4.4,  andamento  possibile  variando  contemporaneamente  sia  la  frequenza} 

che le perdite di carico del circuito.  

Il variatore di frequenza utilizzato era un modello Commander SK (Control 

Techniques, Powys, UK), 0.75 kW, ovvero un convertitore a velocità variabile per  motori a induzione trifase da 0.25 a 4 kW, che veniva collegato alla tensione di  linea  (230V  a  50Hz)  e  poi  al  motore  della  pompa  centrifuga.  Ѐ  stato  integrato  all’interno di una plancia di comando comprendente anche i display di lettura  degli strumenti digitali. 

Fig. 4.4  Variazione  della  caratteristica  di  una  pompa  centrifuga  con  la  frequenza  e  andamento tipico di una prova a portata costante.                          4.2.4   Gestione remota della bilancia  

La  bilancia  (B)  modello  Europe  4000  AR  (Gilbertini,  Elettronica  Srl,  Novate,  MI)  con  fs.  2000  g  e  sensibilità  di  ±0.01  g  è  stata  interfacciata  al  computer (PC) tramite porta seriale RS‐232. Il collegamento seriale ha permesso  di  registrare  ad  intervalli  di  tempo  regolare  i  valori  misurati  dalla  bilancia, 

tramite  l’utilizzo  di  un  apposito  foglio  di  lavoro  di  Excel  supportata  da  una  Macro. Nella Fig. 4.5 si riporta il foglio di lavoro utilizzato per la registrazione  dei dati: colonna A ‐ misurazioni della bilancia in grammi; colonna B ‐ l’orario  della  misurazione;  colonna  C  l’incremento  del  peso  in  grammi  a  partire  dalla  prima  pesata;  colonna  D  ‐  tempo  in  secondi.  Inoltre  venivano  registrati  manualmente anche altri parametri come la frequenza, le pressioni in ingresso e  in uscita, la portata volumetrica e la temperatura.  

I  dati  peso/tempo  venivano  visualizzati  direttamente  in  un  grafico  cartesiano (asse x ‐ tempo/ asse y ‐ pesata), che riportava la retta di regressione.  Ciò  consentiva  di  verificare  l’attendibilità  dei  risultati  sperimentali  in  tempo  reale e provvedere in tempi rapidi ad una eventuale replica della misurazione.  La  correlazione  lineare  dei  valori  delle  colonne  C‐D  permetteva  di  ottenere  il  flusso di permeazione della prova di UF, secondo la seguente definizione, nelle  ipotesi di densità del permeato circa unitaria:  m m P A t M A Q ρ ∆ = = J_P       (4.2)   

Fig. 4.5   Visualizzazione  dei  dati  sul  foglio  di  lavoro  provenienti  da  una  Macro  per  la  gestione della bilancia.   

4.3   PROCEDIMENTI  OPERATIVI  PER  LA  CARATTERIZZAZIONE