Filtri e accessori VFD per applicazioni in ascensore

Una rassegna dei metodi per attenuare la distorsione armonica nei sistemi di ascensori.

di Eric Danner e KEB America

Nozioni di base sui convertitori di frequenza

Oggi, gli azionamenti a frequenza variabile (VFD) a sei impulsi sono comunemente utilizzati negli ascensori a trazione grazie alla loro affidabilità, all'elevato comfort di marcia, all'efficienza energetica e al rapporto costo-efficacia. I moderni VFD sono progettati con tre sezioni principali: i raddrizzatori di ingresso, i condensatori del bus CC e i transistor bipolari a gate isolato (IGBT) di uscita. Lo stadio di raddrizzamento di ingresso converte la corrente alternata (CA) trifase della rete elettrica in corrente continua (CC). I raddrizzatori di ingresso di un VFD consentono alla corrente di passare in una sola direzione, creando il bus CC. Il bus CC è costituito dalla corrente continua raddrizzata immagazzinata in un ampio banco di condensatori.

La tensione nel bus CC è circa 1.41 volte la tensione di rete CA. Lo stadio raddrizzatore di ingresso è passivo, il che significa che se si verifica un'ondulazione sulla linea principale, il bus CC rifletterà direttamente queste perturbazioni di tensione. I condensatori nel bus CC contribuiscono a filtrare questa ondulazione e fungono da riserva per alimentare il motore. Il terzo stadio di un moderno VFD è costituito dagli IGBT di uscita. Gli IGBT di uscita si accendono e si spengono a frequenze molto elevate (tipicamente da 8 a 16 kHz per le applicazioni negli ascensori) controllando la tensione del bus CC al motore. Gli IGBT di uscita possono essere solo accesi o spenti. La modulazione della tensione del bus CC da parte del VFD a frequenze e ampiezze controllate è chiamata modulazione di larghezza di impulso (PWM) e consente al VFD di erogare potenza CC sotto forma di un'onda sinusoidale di tensione CA trifase emulata che controlla la velocità e la coppia del motore. Gli IGBT di uscita sono bidirezionali, il che significa che la corrente può fluire in entrambe le direzioni dal bus CC. La corrente può fluire verso il motore sotto carico o tornare al bus CC quando il motore è in fase di rigenerazione. La modulazione di larghezza di impulso (PWM) è il principio che consente l'utilizzo degli inverter (VFD) nelle applicazioni per ascensori.

I variatori di frequenza generano rumore

Sebbene la modulazione PWM consenta agli ascensori di raggiungere un'elevata qualità di marcia, un'alta efficienza e una messa in servizio più semplice, la progettazione crea intrinsecamente distorsione armonica. La distorsione armonica è causata dai raddrizzatori a sei impulsi degli inverter quando inviano corrente al motore. Ciò è dovuto al fatto che l'inverter che alimenta il motore dell'ascensore ha un carico non lineare. L'impedenza e l'assorbimento di corrente dei carichi non lineari variano durante il ciclo elettrico in corrente alternata. Esempi di carichi non lineari includono inverter per ascensori, computer, luci a LED e televisori.

Questi dispositivi si differenziano dai carichi lineari, che presentano un'impedenza costante e assorbono una corrente quasi perfettamente sinusoidale dalla loro sorgente di tensione. Esempi di carichi lineari includono resistori, induttori, condensatori o un motore a induzione CA che opera a regime dalla rete elettrica. Lo stadio raddrizzatore di ingresso del carico non lineare di un VFD assorbe una corrente non sinusoidale dall'alimentatore. Questo assorbimento di corrente irregolare genera armoniche della frequenza fondamentale (ad esempio 50 o 60 Hz), che agiscono sulle impedenze del sistema all'interno dell'impianto elettrico di un edificio. Un VFD a sei impulsi assorbe armoniche di corrente di quinto, settimo, undicesimo, tredicesimo ordine e così via.

Ogni corrente armonica ha una frequenza specifica n La prima armonica è pari alla frequenza di rete e la sua ampiezza dipende dal carico. Ad esempio, la prima armonica, nota anche come frequenza fondamentale, avrà una frequenza di 60 Hz; la seconda armonica avrà una frequenza di 120 Hz; la terza di 180 Hz; e così via.

Le armoniche più significative nell'applicazione agli ascensori si verificano al quinto e al settimo ordine. All'aumentare dell'ordine delle armoniche, la loro ampiezza diminuisce. Armoniche di corrente di ordine superiore comportano un maggiore assorbimento di corrente efficace (RMS) dal sistema elettrico. Quando un sistema assorbe una quantità significativa di armoniche di corrente rispetto all'alimentazione, si verifica una distorsione di tensione sull'alimentazione. Questa distorsione, se sufficientemente elevata, può causare malfunzionamenti ad altre apparecchiature collegate allo stesso sistema di alimentazione e provocare un maggiore riscaldamento dei componenti elettrici, con conseguente guasto precoce.

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THDi vs. TDD

La distorsione armonica può essere misurata e viene definita Distorsione Armonica Totale (THDi). La THDi è il rapporto istantaneo tra il valore RMS delle armoniche, inclusa la distorsione, e il valore RMS della frequenza fondamentale, espresso in percentuale. Poiché la THDi è una misurazione istantanea, varia in base ai diversi scenari di carico dell'ascensore, risultando quindi più rilevante per i produttori di componenti durante il dimensionamento delle apparecchiature in base al livello di corrente nominale.

Nel caso degli ascensori, la distorsione totale della domanda (TDD, Total Demand Distortion) può rappresentare in modo più accurato la distorsione elettrica di un sistema. La TDD è la distorsione armonica totale della corrente RMS, espressa in percentuale rispetto alla corrente di carico massima richiesta (su 15 o 30 minuti). Poiché la TDD è una media dipendente dal tempo, fornisce una descrizione più precisa delle armoniche di corrente che interessano un sistema di ascensore.

Lo standard IEEE 519-2022 dell'Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) definisce i parametri per la distorsione armonica totale (THD) degli impianti elettrici degli edifici, fissandola all'8.0% nel punto di connessione comune (PCC). Il PCC è il punto di confluenza tra il sistema elettrico della società di distribuzione e quello degli utenti. Per gli installatori di ascensori, il PCC è spesso considerato il punto di sezionamento principale per il controllore dell'ascensore, poiché l'alimentazione dell'edificio è generalmente inaccessibile all'installatore. In teoria, se il punto di sezionamento a monte del controllore è conforme allo standard IEEE 519-2022, l'impianto dell'ascensore non può compromettere la conformità del resto del sistema elettrico dell'edificio. Il mancato rispetto di tali standard, quando specificati, può comportare sanzioni o limitazioni di connessione da parte delle società di distribuzione.

Fattore di potenza

Un altro parametro da considerare nelle applicazioni per ascensori è il fattore di potenza. Il fattore di potenza rappresenta il rapporto tra la potenza convertita in lavoro utile (potenza attiva) alla frequenza fondamentale e la potenza elettrica totale trasferita. Un fattore di potenza pari a 1.00 è auspicabile e indica che tutta la potenza trasferita viene assorbita dal carico. Quando il sistema è interessato da armoniche significative, il fattore di potenza può diminuire rapidamente. Se il fattore di potenza è molto basso, è necessario sovradimensionare i componenti elettrici per compensare la potenza reattiva o armonica non utile.

Strozzatore di linea del 3% o del 5%

Un induttore o reattore di linea del 3% o del 5% è spesso il primo e più conveniente metodo per ridurre la distorsione armonica di un VFD. L'induttore di linea viene posizionato all'ingresso del variatore ed è consigliato per tutte le applicazioni con VFD. Un induttore di linea passivo può ridurre la THDi da circa l'80% a circa il 40%. Questa riduzione della THDi può prevenire guasti di tensione indesiderati e danni prematuri ai condensatori del bus CC del VFD. L'utilizzo di un reattore di linea può raddoppiare la durata dei condensatori del bus CC nel VFD. Se si utilizza un trasformatore di isolamento, il reattore di linea non è necessario.

Filtri armonici

I filtri armonici rappresentano un'ottima soluzione per ridurre ulteriormente la distorsione armonica in un sistema elettrico. Sono comunemente utilizzati in applicazioni in cui componenti elettronici sensibili sono collegati allo stesso sistema di alimentazione, come ospedali, aeroporti o centri dati. La progettazione passiva dei filtri armonici non richiede circuiti elettronici separati per il controllo e, se dimensionati correttamente, può raggiungere un THDi (Through-Delayed Armonic Discharge) dell'8%, garantendo la conformità del sistema alle linee guida IEEE 519-2022. Questo risultato viene ottenuto grazie all'utilizzo di induttori e condensatori calcolati che consentono il passaggio della corrente alla frequenza fondamentale, bloccando al contempo la corrente alle armoniche di ordine superiore. Gli avvolgimenti interni del filtro armonico sono realizzati con lamierini di acciaio di alta qualità e sono progettati specificamente per l'applicazione.

I filtri sono progettati per tensioni di 230 V e 480 V e ottimizzati per la frequenza fondamentale, 50 Hz o 60 Hz per applicazioni europee e nordamericane. Poiché la corrente può attraversare il filtro armonico in entrambe le direzioni, può essere utilizzato anche con inverter rigenerativi.

I filtri armonici vengono installati all'ingresso del VFD o del sistema di rigenerazione, se presente, e sono dimensionati in base alla corrente di ingresso dell'applicazione. Molti filtri armonici offrono una capacità di sovraccarico di corrente del 150% per 60 secondi, proteggendo così da picchi di tensione e di carico temporanei. Un dimensionamento corretto è fondamentale per la loro efficacia, poiché un dimensionamento insufficiente rispetto alla corrente dell'applicazione comporterà la sovrasaturazione dei nuclei. I nuclei sovrasaturati riducono l'efficacia dei filtri armonici e probabilmente ne comprometteranno le prestazioni, portandole al di fuori delle specifiche IEEE 519-2022.

Ulteriori considerazioni da tenere presenti quando si dimensiona un filtro armonico riguardano la ventilazione e il raffreddamento. Quando la corrente attraversa il filtro, il nucleo inizia a riscaldarsi. Se una corrente eccessiva sovraccarica il nucleo, questo si satura, aumentando la sua resistenza e riducendone drasticamente le prestazioni. È fondamentale che i filtri armonici abbiano gli spazi di ventilazione adeguati e un flusso d'aria esterno sufficiente. Nei filtri armonici di dimensioni maggiori, le ventole sono integrate nel design. Per applicazioni con correnti più elevate, sono disponibili custodie NEMA 1 per una maggiore efficienza in termini di costi e spazio, che consentono l'installazione all'esterno del quadro di controllo. In queste applicazioni, è possibile collegare in parallelo più filtri armonici per soddisfare la corrente nominale.

Se dimensionati correttamente e adeguatamente ventilati, i filtri armonici possono raggiungere un fattore di potenza compreso tra 0.99 e 1.00 e un THDi dell'8% a carico nominale. I filtri armonici proteggono inoltre l'inverter e il sistema di rigenerazione da disturbi di rete o transitori di tensione. Ciò riduce la temperatura dei componenti elettrici all'interno dell'inverter e ne prolunga la durata. Studi dimostrano che la durata dei condensatori del bus CC all'interno di un inverter può essere aumentata del 300% con l'utilizzo di un filtro armonico. Se utilizzati con regolatori la cui tensione richiesta corrisponde a quella di rete, non è necessario un trasformatore di isolamento, poiché le prestazioni armoniche del filtro superano di gran lunga quelle dei trasformatori di isolamento. Questo può comportare un risparmio sui costi, poiché il filtro armonico è in genere molto meno costoso del trasformatore di isolamento.

La Figura 6 mostra la tensione e la corrente della linea principale di un ascensore senza l'utilizzo di un induttore di linea o di un filtro armonico. La corrente in ingresso raggiunge picchi da cinque a dieci volte superiori al valore RMS, generando un'elevata corrente di ondulazione attraverso il bus CC. Questa corrente di ondulazione può ridurre la coppia erogata dal motore e compromettere il comfort di marcia.

La Figura 7 mostra la stessa linea principale con un filtro armonico installato. Con il filtro armonico, la corrente sul lato linea è sinusoidale e l'ampiezza della corrente di picco è ridotta a solo 1.4 volte il valore RMS. Anche la tensione sul bus CC viene appiattita, con il risultato che i condensatori del bus CC sono soggetti a una corrente di ripple quasi nulla. La significativa riduzione della corrente di ripple del bus CC può prolungare la durata dei condensatori di tre o più volte e si traduce in una coppia più prevedibile e in una migliore qualità di guida.

AIC

I filtri armonici rappresentano una soluzione economicamente vantaggiosa per adeguare le applicazioni sensibili degli ascensori allo standard IEEE 519-2022 e prolungare la durata dei componenti elettronici del sistema. Tuttavia, la loro progettazione passiva limita le prestazioni THDi ai componenti hardware specifici del progetto. Qualora fossero richieste prestazioni armoniche ancora superiori, è possibile ricorrere alla tecnologia Active Infeed Converter (AIC) o Active Front End (AFE).

Il sistema AIC offre le migliori prestazioni armoniche ed è composto da due inverter (VFD) collegati in serie. Il primo inverter si sincronizza con la tensione di rete e raddrizza attivamente la tensione CA in CC. Questo stadio di raddrizzamento attivo utilizza un filtro induttivo-capacitivo per collegarsi alla rete CA. Il risultato è una corrente che fluisce dalla rete con un'onda sinusoidale quasi pura e una bassa distorsione armonica; in molti casi, può essere compresa tra il 3% e il 5% di THDi. L'utilizzo di due set di IGTB rende intrinsecamente rigenerativa la tecnologia AIC. Il fattore di potenza è regolato a un valore di 1.00 a tutti i livelli di carico. Inoltre, è necessario un filtro EMI (interferenze elettromagnetiche) di alta qualità a monte del sistema, poiché il raddrizzatore attivo crea un elevato livello di EMI di modo comune rispetto alla terra. Il secondo inverter funge da azionamento motore e controlla il motore indipendentemente dallo stadio di ingresso.

Poiché l'AIC utilizza la modulazione PWM con un'elevata frequenza portante, le perdite di commutazione sono superiori rispetto alla commutazione a blocchi dell'unità di rigenerazione. Anche le perdite nel ferro dovute alla modulazione PWM del filtro AIC sono superiori rispetto a quelle di filtri armonici di dimensioni simili. I sistemi AIC possono essere collegati solo a un sistema elettrico trifase bilanciato a stella con messa a terra centrale; i sistemi a triangolo non sono ammessi. Inoltre, le tensioni di fase devono essere comprese tra loro entro +/-5%. È necessario utilizzare un trasformatore negli edifici con un sistema elettrico a triangolo più vecchio o se le fasi sono fortemente sbilanciate. Un AIC supera i requisiti dello standard IEEE 519, ma le prestazioni aggiuntive comportano un costo maggiore.

Filtri EMI

Un filtro EMI è un dispositivo installato prima dell'ingresso del VFD. I filtri EMI attenuano l'effetto del rumore elettrico ad alta frequenza. I filtri EMI agiscono sul rumore elettrico ad alta frequenza (fino a 30 MHz), mentre i filtri armonici intervengono sulle armoniche di potenza a frequenze molto più basse. Nell'applicazione per ascensori, che utilizza frequenze di commutazione IGBT elevate, da 8 kHz a 16 kHz, si genera calore all'interno degli IGBT.

Quando queste alte frequenze interagiscono con le capacità parassite presenti nel sistema elettrico, si generano correnti parassite. Queste correnti parassite possono disturbare l'alimentatore e altre apparecchiature sullo stesso circuito, aumentando inoltre inutilmente la temperatura degli IGBT all'interno dell'azionamento. Questo calore in eccesso rappresenta energia sprecata e usura prematuramente l'azionamento a frequenza variabile (VFD). L'utilizzo di un filtro EMI può ridurre queste correnti parassite, migliorando la durata del VFD e proteggendo altri componenti elettronici sensibili all'interno del sistema di alimentazione collegato. Il filtro EMI raggiunge questo obiettivo scaricando le correnti parassite a terra anziché convogliandole nuovamente nella corrente di alimentazione. Affinché un filtro EMI funzioni in questo modo, è necessario adottare adeguate misure di messa a terra. La messa a terra è fondamentale e fornisce un percorso di ritorno per dissipare il rumore ad alta frequenza. In generale, è opportuno creare un percorso a bassa impedenza che consenta al rumore EMI di disperdersi. Per una messa a terra ottimale, è preferibile utilizzare un cavo di terra il più corto possibile. Un cavo di terra piatto intrecciato è la soluzione migliore, in quanto offre un'ampia superficie di contatto e riduce l'impedenza. Le applicazioni per ascensori che non utilizzano un filtro EMI e una messa a terra adeguata possono essere soggette a guasti indesiderati a livello dell'azionamento e del controllore.

Filtri dV/dt

Anche sul lato di uscita del VFD possono verificarsi rumore elettrico e distorsione. Un induttore dV/dt è un induttore passivo posto tra l'uscita del VFD e il motore per mitigare questi problemi. Quando i VFD utilizzano la modulazione PWM, gli IGBT nell'azionamento si accendono e si spengono molto rapidamente per controllare la velocità e la coppia del motore dell'ascensore. Quando l'IGBT è chiuso, la tensione ai terminali di uscita del VFD sale a quella del bus CC dell'azionamento. La variazione di tensione non è istantanea, ma in realtà aumenta gradualmente fino al livello del bus CC in un dato intervallo di tempo (T_salireLa velocità con cui aumenta la tensione è detta tempo di salita dV/dt ed è una caratteristica della progettazione dell'IGBT.

Nelle applicazioni con cavi motore lunghi, le impedenze dei cavi possono interagire con il controllo PWM del variatore di frequenza (VFD). Le impedenze dei cavi motore sono determinate dalla loro lunghezza e dal materiale di cui sono composti. È pressoché impossibile adattare le impedenze del motore e dei cavi. Quando le impedenze tra i cavi e il motore non corrispondono, i cavi si comportano come una linea di trasmissione e propagano la tensione di uscita del variatore al motore. Queste riflessioni d'onda provocano un picco di tensione sul motore, inviando al contempo un'onda riflessa al variatore. Se le onde riflesse si sommano alla forma d'onda fondamentale proveniente dal variatore, la tensione erogata al motore può aumentare drasticamente. Un induttore dV/dt posizionato direttamente all'uscita del VFD limita la velocità di variazione della tensione (dV/dt) a un livello caratteristico del progetto del filtro. Il filtro riduce inoltre le ondulazioni di corrente e le perdite nel rotore del motore.

La Figura 11 mostra un'applicazione a 480 V con un bus CC a riposo di 675 V e cavi motore da 25 piedi senza l'uso di un induttore dV/dt. La tensione di picco ricevuta al motore è di 988 V. Se la distanza tra il motore e l'inverter viene aumentata a 75 piedi come nella Figura 12, la tensione massima ai terminali del motore aumenta fino a quasi 1,326 V.

Questo valore è quasi il doppio di quello del bus CC dell'inverter! Questi picchi di tensione ripetuti possono avere effetti molto dannosi sul motore e, se non corretti, possono persino causare problemi di comfort di marcia.

I moderni motori trifase a corrente alternata per ascensori sono "adattati per inverter" e progettati per tensioni di picco di almeno 1600 V; tuttavia, i ripetuti picchi dV/dt sollecitano notevolmente gli avvolgimenti e l'isolamento all'interno del motore. Nelle applicazioni ad alta frequenza di commutazione, come gli ascensori che operano con una frequenza di uscita da 8 kHz a 16 kHz, questa usura si verifica molto più rapidamente sul motore. La Figura 13 mostra un "motore protetto" cablato con un induttore dV/dt nella stessa configurazione a 480 V di prima. Con l'induttore dV/dt, la tensione di picco proveniente dal VFD ai terminali del motore si riduce a 951 V, una riduzione del 40% della tensione del motore! Questa riduzione protegge significativamente gli avvolgimenti del motore e può migliorare il comfort di marcia.

Gli induttori dV/dt sono consigliati per tutte le applicazioni con inverter in cui il motore si trova a più di 40 metri di distanza dall'inverter. L'utilizzo di un induttore dV/dt a distanze inferiori è raccomandato come buona pratica, ma non è obbligatorio. Gli induttori dV/dt possono essere utilizzati sia con motori a magneti permanenti che con motori a induzione. La bassa induttanza dei filtri non influisce sulla capacità dell'inverter di misurare la resistenza, l'induttanza e il tempo morto del motore durante l'apprendimento del modello del motore o della posizione dell'encoder per i motori a magneti permanenti. Gli induttori sono disponibili per tensioni fino a 550 V CA e sono dimensionati in base alla corrente dell'applicazione. Gli induttori dV/dt rappresentano un ottimo modo per prolungare la durata di un motore e in genere costano molto meno rispetto alla sua sostituzione.

Anelli di ferrite

Il modo più semplice ed economico per attenuare il rumore elettrico tra un motore e un variatore di frequenza è utilizzare anelli di ferrite. Gli anelli di ferrite sono induttori passivi realizzati con materiali magnetici ceramici che contribuiscono a filtrare il rumore ad alta frequenza. Gli anelli di ferrite sono comunemente utilizzati in qualsiasi applicazione in cui si verifica un trasferimento di potenza. Nel caricabatterie del computer, il piccolo involucro di plastica su entrambe le estremità dell'alimentatore è costituito da anelli di ferrite.

Nell'applicazione per ascensori, la modulazione PWM del variatore di frequenza (VFD) e le capacità parassite dei cavi del motore e del motore stesso generano correnti elettriche ad alta frequenza indesiderate. L'induttanza degli anelli di ferrite aumenta l'impedenza tra l'uscita del VFD e il cavo, filtrando le correnti ad alta frequenza. Gli anelli di ferrite sono posizionati all'uscita del VFD, con i cavi del motore che li attraversano. L'utilizzo di anelli di ferrite può contribuire a eliminare i guasti indesiderati dal VFD e dal controllore dell'ascensore, prevenendo al contempo l'usura prematura dei cuscinetti e degli avvolgimenti del motore dovuta alle correnti parassite.

Conclusione – Confronto tra tecnologie

Il mercato moderno degli ascensori richiede un'alimentazione elettrica pulita e priva di distorsioni. Esistono numerosi metodi per mitigare la distorsione armonica e prolungare la durata delle apparecchiature negli impianti elettrici e negli ascensori. Induttori di linea, filtri armonici, tecnologia AIC, filtri EMI, induttori dV/dt e anelli di ferrite sono tutte opzioni con costi e prestazioni variabili per soddisfare i requisiti di sistema di qualsiasi applicazione. Ingegneri e consulenti devono valutare il rapporto costi-prestazioni del sistema per determinare l'apparecchiatura più adatta all'applicazione. Gestire in modo efficiente questi requisiti si tradurrà in ascensori ad alte prestazioni, sicuri e di lunga durata.