Scegliere un inverter per un motore: come scegliere un inverter per un’applicazione industriale?

Scegliere un inverter per la tua applicazione: una guida per ingegneri e tecnici UR

La scelta di un inverter per un motore in un’ applicazione industriale non può basarsi solo sulla potenza di targa. In pratica, è necessario prendere in considerazione molti fattori: caratteristiche del carico, ambiente operativo, metodo di controllo, qualità dell’alimentazione, lunghezza dei cavi e requisiti di processo. Una scelta errata dell’inverter può causare il surriscaldamento del motore, frequenti arresti per sovraccarico, interferenze EMC e, in casi estremi, danni all’isolamento degli avvolgimenti o all’elettronica dell’inverter.

Questa guida è stata preparata per i manutentori, i progettisti e i tecnici che desiderano scegliere con cognizione di causa l’inverter per la potenza del motore, capire come selezionare un inverter per un’applicazione specifica e come calcolare le dimensioni dell’inverter necessario affinché l’azionamento sia stabile, sicuro ed efficiente dal punto di vista energetico.

Nell’attività di assistenza di RGB Electronics, ci imbattiamo spesso in domande come: come selezionare la potenza di un inverter, come dimensionare un inverter per un motore, quale inverter per un motore da 3kW sarebbe adatto per un nastro trasportatore, una ventola o una pompa. I consigli che seguono si basano sulla documentazione dei produttori, sugli standard industriali e sull’esperienza maturata in migliaia di riparazioni e avviamenti di inverter in vari settori.

In molti casi, un calcolatore per la scelta dell’inverter fornito dai produttori o dai distributori di azionamenti è utile. Tuttavia, deve essere considerato come uno strumento di supporto e non come un sostituto dell’analisi della documentazione del motore, della scheda tecnica dell’inverter e delle reali condizioni operative dell’installazione.

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Dati di targa del motore – punto di partenza per la selezione dell’inverter

Per effettuare correttamente la scelta dell’inverter per la potenza del motore, è necessario iniziare con una lettura dettagliata della targhetta. I parametri chiave sono:

• potenza nominale del motore (kW o HP),
• tensione di alimentazione (solitamente 230 V / 400 V / 690 V – in configurazione stella/triangolo),
• corrente nominale per una determinata configurazione di avvolgimento,
• frequenza nominale (di solito 50 Hz, a volte 50/60 Hz),
• velocità alla frequenza nominale,
• classe di isolamento (ad esempio F o H),
• Grado di protezione IP (ad esempio IP55, IP65),
• modalità di funzionamento (di solito S1 – funzionamento continuo).

Su questa base, si determina la potenza minima dell’inverter. In pratica, è consigliabile prevedere una certa riserva di potenza a causa delle condizioni ambientali, dell’alimentazione non ideale e della natura del carico. Per molte applicazioni standard, una riserva di circa il 10-20% è sufficiente, mentre in caso di avviamento pesante o di elevata inerzia – la riserva può raggiungere il 20-30% (questo dovrebbe essere sempre verificato nelle schede tecniche e nelle linee guida del produttore del rispettivo inverter).

Ad esempio, se ti stai chiedendo quale inverter utilizzare per un motore da 3 kW in un trasportatore pesante, in molti casi pratici si sceglie un inverter da 3,7-4 kW, ma è sempre necessario confrontare la corrente nominale dell’inverter con la corrente del motore e considerare le condizioni operative.

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Corrente nominale – un parametro spesso più importante della potenza

Sebbene la potenza del motore sia un parametro di riferimento intuitivo, nella pratica ingegneristica la corrente nominale è altrettanto importante. Produttori diversi possono dichiarare una potenza simile a valori di corrente diversi, quindi la scelta esatta dell’inverter per un motore dovrebbe basarsi sul confronto delle correnti.

• confrontare la corrente nominale del motore con la corrente di uscita dell’inverter per una determinata categoria operativa (ad esempio S1, HD/ND – Heavy Duty/Normal Duty),
• verificare quale corrente di sovraccarico (ad esempio 150% per un certo tempo) è consentita dall’inverter,
• tenere conto del carico reale del processo: un inverter che funziona costantemente vicino al limite di corrente sarà più soggetto a guasti.

Un semplice errore, come quello di selezionare un inverter “a contatto” sulla base del solo wattaggio, senza analizzare la corrente, può portare a frequenti spegnimenti per sovraccarico, soprattutto in caso di avvio sotto carico.

Tensione di alimentazione e configurazione degli avvolgimenti

La maggior parte delle installazioni industriali europee utilizza inverter alimentati a 3×400 V CA, che lavorano con motori adatti al funzionamento a stella/triangolo (ad esempio 400/690 V). Per gli azionamenti più piccoli, sono disponibili anche inverter alimentati a 1×230 V, che generano 3×230 V in uscita per i motori opportunamente collegati.

• Prima di collegare l’inverter, controlla sempre le tensioni di avvolgimento ammesse sulla targhetta del motore,
• la configurazione del collegamento (stella/triangolo) deve essere compatibile con la tensione di uscita dell’inverter,
• nel caso di motori riavvolti o adattati, è fondamentale verificare la documentazione di servizio.

Una tensione di esercizio errata può causare un surriscaldamento, un calo di coppia e, in casi estremi, danni all’isolamento.

Caratteristiche del carico: la chiave per un funzionamento stabile dell’unità

La natura del carico meccanico determina in larga misura la scelta dell’inverter per una particolare applicazione. Lo stesso motore può richiedere un inverter diverso e una configurazione differente se aziona una pompa, un trasportatore o una macchina CNC.

Carichi come pompe e ventilatori – coppia al quadrato

Applicazioni come pompe centrifughe e ventilatori sono caratterizzate dalla cosiddetta coppia quadratica: la richiesta di coppia aumenta all’aumentare della velocità. In questi casi, l’inverter consente un elevato risparmio energetico grazie alla possibilità di ridurre la velocità nei momenti di minore richiesta.

• Spesso viene utilizzato un controllo scalare (U/f) con un controllore PID integrato,
• Tra le funzioni importanti vi è la protezione contro il funzionamento a secco, la cavitazione o il blocco del rotore (a seconda della funzionalità dell’inverter),
• la scelta dell’inverter deve tenere conto di rampe di avvio e di frenata morbide per limitare gli sbalzi di pressione nel sistema.

Trasportatori a nastro e linee di trasporto – coppia costante

I convogliatori, gli alimentatori, gli estrusori e i miscelatori funzionano tipicamente con una caratteristica di coppia più “piatta”: la coppia di carico è simile in tutto l’intervallo di velocità. In questo caso, spesso è necessaria una maggiore riserva di coppia iniziale e un controllo preciso della velocità.

• In pratica, si consiglia il controllo vettoriale (senza sensori o con encoder, a seconda dell’applicazione),
• Le resistenze di frenata sono spesso utilizzate per consentire un arresto controllato ad alta inerzia,
• è importante impostare correttamente le rampe di accelerazione e i limiti di corrente per non causare arresti inutili.

Applicazioni dinamiche – CNC, gru, gru a ponte

Le macchine CNC, le gru, i carriponte e i sistemi di posizionamento richiedono un’elevata dinamica, un controllo preciso della coppia e una risposta rapida dell’azionamento alle variazioni della velocità impostata.

• vengono utilizzati inverter con controllo vettoriale avanzato, spesso in collaborazione con un encoder,
• è necessaria una regolazione molto precisa dei parametri del motore (il cosiddetto autotuning),
• è importante l’interfacciamento con i sistemi di sicurezza (funzioni STO, SS1, SLS – a seconda del tipo di inverter).

Come si sceglie la potenza dell’inverter e come si dimensiona l’inverter per il motore?

Quando si eseguono i calcoli di progettazione, spesso sorge la domanda: come faccio a calcolare le dimensioni dell’inverter di cui ho bisogno. L’assunto di base è che la potenza e la corrente dell’inverter devono essere almeno pari alla potenza nominale del motore, con un adeguato margine di sicurezza.

Ad esempio, per un’applicazione industriale standard, si può approssimare che:

• Potenza dell’inverter ≈ 1,1 × potenza del motore con carichi leggeri e condizioni favorevoli,
• potenza dell’inverter ≈ 1,2-1,3 × potenza del motore con avviamento brusco o temperatura ambiente elevata (consulta sempre la documentazione del produttore dell’inverter per i valori esatti).

In pratica, come dimensionare un inverter per un motore significa: confrontare non solo la potenza, ma soprattutto la corrente nominale nella relativa modalità di funzionamento (Heavy Duty / Normal Duty), quindi verificare il sovraccarico ammissibile, l’intervallo di temperatura operativa e il tipo di carico. Sono questi parametri che dovrebbero influenzare la scelta dell’inverter giusto.

Selezione dell’inverter per l’ambiente operativo – temperatura, polvere, umidità

L’ambiente operativo ha un enorme impatto sulla durata dell’elettronica di potenza. La maggior parte dei produttori specifica nella documentazione l’intervallo di temperatura ambientale in cui l’inverter può funzionare senza declassamento (spesso fino a 40°C, ad esempio). Al di sopra di questo intervallo, di solito è necessario ridurre la corrente di uscita consentita o utilizzare un raffreddamento aggiuntivo, sempre in conformità con le linee guida del produttore.

• Alta temperatura – quando si installa nell’armadio elettrico, è necessario tenere conto del riscaldamento dei componenti, di una ventilazione adeguata e di una distanza minima tra gli inverter. Il superamento della temperatura consentita può comportare una riduzione della durata dei condensatori e dei componenti di potenza.
• Polvere e sporcizia – in ambienti polverosi (legno, metallo, cemento, plastica), si consiglia di utilizzare inverter con un grado di protezione IP più elevato o di installarli in armadietti sigillati con filtraggio forzato dell’aria. La polvere sui dissipatori di calore e sui canali di raffreddamento è spesso una delle cause principali del surriscaldamento.
• Umidità e nebbia d’olio – in caso di elevata umidità e presenza di nebbia d’olio, è consigliabile scegliere inverter con una protezione PCB (conformal coating) aggiuntiva e seguire le raccomandazioni del produttore per l’installazione e la protezione dalla condensa.

Scelta dei cavi per gli inverter: EMC, schermatura, lunghezza dei cavi

La scelta corretta del cavo per l’inverter è fondamentale per ridurre le interferenze elettromagnetiche, garantire il corretto funzionamento delle protezioni e proteggere l’isolamento del motore. In pratica, vengono utilizzati cavi motore speciali adatti all’uso con l’inverter.

• Si consiglia di utilizzare cavi schermati adatti all’uso con i convertitori di frequenza,
• Lo schermo del cavo deve essere correttamente collegato a terra (come raccomandato dal produttore dell’inverter), spesso su entrambi i lati, rispettando le regole di compatibilità EMC dell’impianto,
• Evita di far passare i cavi del motore in parallelo con i cavi di controllo e di segnale su lunghe distanze e, se necessario, utilizza una distanza adeguata o delle canaline separate,
• la lunghezza massima consentita del cavo del motore deve essere sempre verificata nella documentazione relativa al modello di inverter in questione; spesso i produttori specificano limiti separati per il funzionamento con e senza filtri.

Se la lunghezza del cavo di alimentazione del motore è notevole, il produttore potrebbe consigliare l’uso di componenti aggiuntivi come filtri dV/dt o filtri sinusoidali. Vale la pena prendere in seria considerazione queste raccomandazioni perché hanno un impatto diretto sulla durata dell’isolamento degli avvolgimenti e sul livello di interferenze nella rete.

Scegliere un filtro per un inverter: quando e quale usare?

La scelta corretta del filtro per l’inverter ha lo scopo di proteggere il motore stesso e gli altri dispositivi dell’impianto dalle interferenze generate dai transistor di potenza a commutazione rapida (IGBT). Nella documentazione tecnica dell’inverter, i produttori specificano con precisione la lunghezza del cavo, il tipo di motore e i requisiti EMC per i quali è necessario utilizzare filtri aggiuntivi.

• Filtri EMC – utilizzati per soddisfare i requisiti degli standard di compatibilità elettromagnetica (ad es. EN 61800-3). Spesso sono integrati nell’inverter o disponibili come moduli opzionali. La scelta deve essere fatta in base alla classe di ambiente (industriale, impianti pubblici, ecc.).
• Filtri dV/dt – aiutano a ridurre il forte aumento di tensione ai terminali del motore, particolarmente importante con i cavi più lunghi e i motori con isolamento più vecchio. Molti produttori ne raccomandano l’uso al di sopra di determinate lunghezze di cavo (i valori limite devono sempre essere verificati nel manuale dell’inverter in questione, poiché variano a seconda della serie e del produttore).
• Filtri sinusoidali – filtrano la forma d’onda di uscita dell’inverter in modo da ottenere una forma quasi sinusoidale. Sono consigliati, tra l’altro, per i cavi del motore molto lunghi o quando si alimentano motori più sensibili alle sovratensioni, come raccomandato dal produttore dell’inverter e del motore.

Quando si sceglie un filtro, è sempre consigliabile seguire le linee guida specifiche del produttore dell’inverter in questione e tenere conto dei requisiti dell’installazione (ad esempio, funzionamento nella rete pubblica, livello di interferenza consentito per altri dispositivi, specifiche del motore).

Controllo scalare e controllo vettoriale: quale scegliere nella pratica?

Uno degli elementi che spesso determinano la scelta dell’inverter è la modalità di controllo. Questa determina il modo in cui l’inverter “vedrà” il motore e come controllerà la coppia e la velocità.

• Controllo scalare (U/f): la relazione tensione/frequenza viene mantenuta in base a una caratteristica preimpostata. Una soluzione semplice, stabile e sufficiente per molte applicazioni di ventilatori e pompe. Funziona bene quando non sono richieste coppie elevate a velocità molto basse o un posizionamento preciso.
• Controllo vettoriale sensorless – l’inverter utilizza un modello matematico del motore per controllare con maggiore precisione la coppia e la velocità. Questo sistema offre un’ottima dinamica e la possibilità di operare a velocità inferiori con una coppia più elevata, il che è vantaggioso, ad esempio, nei trasportatori, nei miscelatori o in alcune macchine di processo.
• Controllo vettoriale con encoder – utilizzato nei casi in cui è richiesta un’elevata precisione di posizionamento, un’accelerazione e una decelerazione rapide e la ripetibilità del movimento (ad esempio macchine CNC, gru, ascensori, sistemi di trasporto avanzati). Richiede l’abbinamento di inverter, motore ed encoder e l’autotuning.

La scelta dell’inverter giusto deve tenere conto non solo della potenza e della corrente, ma anche del tipo di controllo e della possibilità di lavorare con un encoder o con sensori di posizione, se richiesto dall’applicazione.

Un esempio pratico: quale inverter per un motore da 3 kW?

Consideriamo un motore da 3 kW, 400 V, 50 Hz che opera in un nastro trasportatore con frequenti avviamenti sotto carico. Come si configura in pratica la scelta di un inverter per il motore in questo caso?

• leggi la corrente nominale del motore (ad esempio 6,5-7 A – valore esatto dalla targhetta),
• verifichiamo in quale intervallo di corrente gli inverter di una determinata serie funzionano in modalità Heavy Duty,
• seleziona un inverter con una corrente di uscita di riserva adeguata (ad esempio 8-9 A in modalità HD – secondo la scheda tecnica),
• verifichiamo l’intervallo di temperatura di funzionamento, la possibilità di sovraccarico e le modalità di controllo vettoriale disponibili,
• nel caso di un cavo motore più lungo, controlla nella documentazione se il produttore raccomanda un filtro dV/dt o sinusoidale.

Su questa base, è possibile scegliere un modello specifico di inverter da 3,7-4 kW con funzione di controllo vettoriale, tenendo conto dei requisiti del produttore e delle specificità del processo.

Selezione dell’inverter: una lista di controllo pratica per l’ingegnere

La corretta selezione degli inverter è un processo che richiede una combinazione di dati di catalogo, conoscenza delle applicazioni ed esperienza di assistenza. Il seguente elenco può essere uno strumento pratico per l’ingegnere o il progettista UR:

• leggi i dati esatti sulla targhetta del motore (potenza, corrente, tensione, frequenza, IP, classe di isolamento),
• specificare il tipo di carico (pompa, ventilatore, trasportatore, macchina CNC, miscelatore, gru, ecc,)
• verificare se è richiesto un controllo scalare o vettoriale e se sarà necessario un encoder,
• seleziona la potenza e la corrente dell’inverter con una riserva sufficiente, in conformità con la documentazione del produttore, per la corretta modalità di funzionamento (ad esempio, Heavy Duty),
• considerare le condizioni ambientali (temperatura, polvere, umidità, presenza di nebbia d’olio),
• pianificare la scelta corretta dei cavi per l’inverter (cavi motore schermati, messa a terra corretta, instradamento dei cavi),
• In base alla lunghezza del cavo e ai requisiti EMC, pianifica la scelta del filtro per l’inverter (EMC, dV/dt, eventualmente filtro sinusoidale – secondo le linee guida del produttore),
• configurare i parametri dell’inverter (autotuning, rampe, limiti di corrente, funzioni di protezione) in base ai requisiti dell’applicazione,
• testa il sistema in condizioni vicine al funzionamento reale (carico, temperatura, cicli di avvio/arresto),
• documentare i parametri e il comportamento del convertitore di frequenza: questo faciliterà la diagnostica e l’assistenza successive.

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