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GENNAIO-FEBBRAIO 2017 AUTOMAZIONE OGGI 395 89
reostati di avviamento raffreddati a olio. I reostati raffreddati a
olio si riscaldano marcatamente durante l’avviamento, mentre
in fase di frenata è l’energia di quest’ultima a riscaldare l’olio.
Prima di avviare il motore, l’operatore addetto alla macchina
doveva attendere per consentire all’olio di raffreddarsi. Per evi-
tare questi tempi morti, spesso il generatore di impulsi veniva
lasciato in funzione anche durante le fasi di conversione più lun-
ghe del processo di configurazione delle prove, sebbene tale
pratica si traduceva in un significativo spreco di energia. Per di
più, il motore ad anelli era già in servizio da oltre 40 anni e per-
tanto la manutenzione e i pezzi di ricambio necessari stavano
diventando sempre più costosi e difficili da reperire.
Queste ragioni hanno spinto I²PS a cercare un sistema di aziona-
mento moderno e a decidere che il nuovo sistema doveva sod-
disfare requisiti ben specifici: affidabilità, efficienza energetica
e possibilità di riavvio senza lunghe attese. Inoltre, il fornitore
avrebbe dovuto garantire un adeguato servizio di riparazione
in caso di avaria o malfunzionamento.
La soluzione
Sulla base di questo scenario, I²PS ha sviluppato, in collabora-
zione con Eaton, una soluzione che prevedeva la sostituzione
del motore a induzione ad anelli con uno di tipo asincrono.
Quest’ultimo è comandato da un’unità elettronica costituita da
un convertitore di frequenza e da un’unità di frenatura rigenera-
tiva (Active Front End, AFE). Entrambi i componenti fanno parte
della serie 9000X di Eaton. Quest’ampia gamma di azionamenti
con DC bus include una serie di unità di tipo rigenerativo e con-
vertitori di frequenza con potenze nominali da 0,55 a 2.750 kW
a 460 e 690 V. Il design compatto è di tipo modulare e integra
una serie di caratteristiche versatili, tra cui l’avviamento rapido,
un protocollo di comunicazione flessibile e varie opzioni di con-
figurazione. Sono disponibili cinque slot per entrate e uscite
opzionali e schede di comunicazione per soddisfare i requisiti
specifici del cliente. Sono supportati vari protocolli di comuni-
cazione per consentire il collegamento a un’ampia gamma di
sistemi di automazione basati su Modbus/TCP, Modbus/RTU,
Profibus DP e Ethernet/IP. Inoltre la separazione modulare della
potenza e delle unità di controllo semplifica l’installazione e ri-
duce la necessità di parti di ricambio.
Nel caso della soluzione I²PS, sono impiegati l’inverter SPI300A0-
4A3N1 e l’unità rigenerativa SPA300A0-4A3N1 raffreddata ad aria.
L’AFE SPA è un convertitore di tensione bidirezionale per il front end
di un DC bus comune: converte la corrente e la tensione alternate
in continue. L’alimentazione viene trasmessa dalla rete al DC bus o
viceversa. Se usato nel sistema di eccitazione del generatore di im-
pulsi, l’unità rigenerativa di Eaton restituisce alla rete l’energia cine-
tica sviluppatasi durante la frenata. In precedenza, quando il sistema
di eccitazione veniva disattivato, giungeva all’arresto completo
dopo circa 30minuti. Con l’unità rigenerativa SPA, l’arresto completo
avviene entro dueminuti. Analogamente, dalla condizione di riposo
il regime normale viene ripristinato entro due minuti.
Il filtro LCL a monte (induttanza-capacità-induttanza) corregge
eventuali distorsioni della forma d’onda della tensione di uscita,
producendo così energia pulita con basse armoniche, adatta a
essere restituita alla rete. Il tasso di distorsione armonica (Total
Harmonic Distortion, THD) è al di sotto del 5%. A titolo di con-
fronto, i convertitori di frequenza normali a sei impulsi espri-
mono un THD pari a circa il 35-40%. Grazie alla rigenerazione,
il sistema non ha bisogno di grandi banchi di reostati riempiti
a olio per rimuovere l’energia in eccesso. L’eliminazione dei
reostati aumenta il risparmio energetico e allo stesso tempo
semplifica il design. A livello teorico è possibile utilizzare una
frenatura su resistenza come alternativa per decelerare il si-
stema di eccitazione, tuttavia, questo convertirebbe l’energia
cinetica nuovamente in calore dissipato. Questo tipo di sistema
di frenata è alquanto voluminoso e richiederebbe grandi spazi.
La soluzione scelta da I²PS, invece, non solo è più efficiente dal
punto di vista energetico, ma consente anche di risparmiare
spazio rispetto a questa tecnologia abbastanza comune, ma
notevolmente più complessa.
L’inverter SPI utilizzato è un’unità bidirezionale alimentata in DC
per il controllo dei motori AC. L’inverter presenta una connessione
DC bus e consente al sistema di azionamento di funzionare anche
in regime di recupero rigenerativo. In questo modo, l’energia di
frenata dell’unità può essere trasmessa direttamente a un’altra
unità attraverso la connessione a un circuito intermedio oppure,
come nel caso di I²PS, introdotta nuovamente nella rete. Come
avviene nell’unità rigenerativa, anche l’inverter raffreddato ad aria
impiega una tecnologia che integra un Igbt e un tastierino alfanu-
merico, ed è conforme alla classe T di compatibilità elettromagne-
tica (EN 61800-3 per le reti IT) e agli standard di sicurezza CE/UL.
I risultati
Il nuovo impianto di azionamento del sistema di eccitazione ora
fa parte di un generatore di impulsi con un picco di potenza di
cortocircuito di 298 MVA. Ora è possibile eseguire test di corto-
circuito per l’intervallo di bassa tensione con correnti di prova
fino a 300 kA. Nel caso di configurazioni di test di lunga durata,
ora è possibile arrestare il generatore di impulsi per risparmiare
energia senza perdere tempo. Prima dell’ammodernamento,
questo era possibile solo per un massimo di tre volte al giorno
a causa della presenza dei reostati di avviamento o di frenatura
raffreddati a olio. Grazie alla nuova soluzione, le fasi necessarie
per il raffreddamento dell’olio fortemente riscaldato sono state
eliminate. Ora l’energia sviluppata durante la frenata del motore
del sistema di eccitazione viene restituita alla rete. Pertanto, nel
caso di lavori di conversione dovuti alla configurazione delle
prove, dispendiosi in termini di tempo, il sistema può essere
arrestato facilmente e quasi subito riavviato. Parallelamente,
anche la flessibilità del laboratorio di prova è aumentata.
Klaus Heidelberg, manager Energy/Switching Power presso I²PS,
ha tratto la seguente conclusione: “in seguito all’ammoderna-
mento, possiamo arrestare e avviare il generatore di impulsi in
qualsiasi momento e ciò per noi rappresenta un enorme van-
taggio. In più, il nuovo sistema di azionamento è molto più effi-
ciente dal punto di vista energetico rispetto al vecchio motore
a induzione ad anelli. Il risparmio energetico complessivo è at-
tribuibile a tre fattori: l’efficienza energetica del sistema di azio-
namento, l’energia risparmiata allo spegnimento del generatore
di impulsi durante la fase di configurazione e la restituzione alla
rete dell’energia sviluppata durante la frenata, che precedente-
mente veniva dissipata sotto forma di calore. Anche l’assistenza
fornita dal servizio clienti Eaton durante le fasi di installazione e
messa in esercizio si è rivelata indispensabile”.
Eaton -
Institute for International Product Safety - I²PS -