Efficienza energetica nell’industria e delle macchine elettriche
1.
Premessa ................................................................................................................................................... 2
2.
Sintesi del processo di analisi dell‟efficienza ........................................................................................ 2
3.
Descrizione del processo produttivo ...................................................................................................... 3
4.
Contratti energetici ................................................................................................................................... 3
5.
Consumi di energia .................................................................................................................................. 3
5.1.
Indicatori di consumo .......................................................................................................................... 4
5.2.
Flussi energetici ................................................................................................................................... 4
6.
Energia elettrica impiegata per le utilities ............................................................................................. 4
6.1.
Produzione e distribuzione delle acque di processo; ..................................................................... 4
6.1.1.
Potenzialità - Materie Prime - Prodotto finito .............................................................................. 4
6.1.2.
Processo di distribuzione (v. schema n° xx) ............................................................................... 5
6.1.3.
Condizioni operative ....................................................................................................................... 5
6.1.4.
Controlli analitici .............................................................................................................................. 5
6.2.
Produzione e distribuzione dell‟energia elettrica. ............................................................................ 5
6.3.
Produzione e distribuzione dell‟energia termica.............................................................................. 5
6.4.
Produzione e distribuzione acqua in ciclo chiuso. .......................................................................... 5
6.5.
Produzione e distribuzione acqua demineralizzata. ....................................................................... 5
6.6.
Produzione e distribuzione dell‟aria compressa. ............................................................................. 5
6.7.
Produzione e distribuzione dell‟energia frigorifera. ......................................................................... 5
7.
Analisi del servizio illuminazione. ........................................................................................................... 6
8.
Analisi dei consumi di energia reattiva. ................................................................................................. 6
8.1.
Vantaggi del rifasamento .................................................................................................................... 6
8.2.
Criteri di rifasamento ........................................................................................................................... 7
8.3.
Calcolo della potenza reattiva ............................................................................................................ 7
9.
Utilizzazione ed efficienza dei motori elettrici. ...................................................................................... 8
9.1.
Motori elettrici ad elevato rendimento ............................................................................................... 8
9.1.1.
Premessa ai motori elettrici ad elevata efficienza ...................................................................... 8
9.1.2.
Prestazioni dei motori ad elevato rendimento ............................................................................. 8
9.1.3.
Rumorosità ..................................................................................................................................... 11
9.1.4.
Vita utile .......................................................................................................................................... 12
9.1.5.
Motori revisionati ........................................................................................................................... 13
10.
Esame delle utenze a flusso variabile. ........................................................................................... 13
10.1. Premessa agli azionamenti a velocità variabile ............................................................................ 13
10.2. Azionamenti a velocità variabile ...................................................................................................... 14
10.3. Inverter vettoriali................................................................................................................................. 14
10.4. Fattore di Potenza ............................................................................................................................. 15
10.5. Guasto del Convertitore .................................................................................................................... 15
10.6. Caratteristiche dei motori a velocità variabile ................................................................................ 15
10.6.1.
Confronto tra motori in AC e motori in DC ................................................................................. 15
11.
Consumi di energia termica - Risparmi e recuperi ........................................................................ 16
1
Efficienza energetica nell’industria e delle macchine elettriche
1. Premessa
Efficienza energetica nell‟industria significa ottimizzare i costi di acquisto e uso
dell‟energia.
Pertanto, per conseguire correttamente risultati positivi di efficienza energetica, si
devono esaminare sia i contratti di fornitura di energia elettrica , sia quelli dei
combustibili e successivo esame dell‟uso che viene fatto, valutando i possibili
risparmi ed eventuali recuperi.
Nella seguente tabella n. 1 vengono elencate le principali voci da prendere in
esame per esaminare correttamente l‟efficienza energetica dell‟uso di energia
elettrica nell‟industria:
Analisi elettrica
Analisi dei contratti di fornitura energia elettrica
Consumi – uso illuminazione, forza motrice, produzione utilities, processo
Sistemi di illuminazione ad alta efficienza
Rifasamento degli impianti elettrici
Motori elettrici ad alto rendimento
Azionamenti elettrici a velocità variabile
Tabella 1: Efficienza nell’uso dell’energia elettrica.
Similmente nella seguente tabella n. 2 vengono elencate le principali voci da
prendere in esame per esaminare correttamente l‟efficienza energetica dell‟uso di
energia termica nell‟industria:
Analisi termica
Analisi dei contratti di fornitura dei combustibili
Consumi: acqua calda, vapore …
Recuperi termici
Studio preliminare di un impianto di cogenerazione.
Tabella 2: Efficienza nell’uso dell’energia termica.
2. Sintesi del processo di analisi dell’efficienza
Le attività che devono essere svolte nell‟analisi di efficienza generale si possono
sintetizzare nelle seguenti voci:
1. Descrizione del processo produttivo;
2. Contratti energetici ;
3. Consumi di energia elettrica;
4. Energia elettrica impiegata nel processo produttivo;
5. Energia elettrica impiegata per le utilities;
- Produzione e distribuzione dell‟energia elettrica;
- Produzione e distribuzione dell‟energia termica;
- Produzione e distribuzione acqua in ciclo chiuso;
- Produzione e distribuzione delle acque di processo;
- Produzione e distribuzione acqua demineralizzata;
2
- Produzione e distribuzione dell‟aria compressa;
- Produzione e distribuzione dell‟energia frigorifera;
6. Analisi del servizio illuminazione;
7. Analisi dei consumi di energia reattiva/energia attiva;
8. Tipologia e utilizzazione dei motori elettrici;
9. Esame delle utenze a flusso variabile;
10. Consumi di energia termica - Risparmi e recuperi termici.
3. Descrizione del processo produttivo
Si devono descrivere sinteticamente i prodotti che vengono realizzati, le quantità
orarie e quelle annue (consuntivo degli ultimi 3 anni e le previsioni). Per ogni
prodotto finito si devono descrivere le materie prime utilizzate, le utilities e le
quantità.
4. Contratti energetici
Si devono esaminare ogni mese le fatture di fornitura dell‟energia elettrica e dei
combustibili controllando la corretta applicazione dei parametri previsti dal contratto,
la correttezza rispetto alle letture. Come esempio nella seguente tabella n. 3 si
riportano le voci fondamentali e aggregate che vengono evidenziate in una fattura di
energia elettrica:
Fattura per la fornitura di 245.000 kWh
Prezzo negoziabile dell‟energia elettrica in fase di rinnovo
15.862,00
del contratto
Oneri di sistema (Componenti A e UC)
4.458,00
Dispacciamento
1.303,00
Oneri per il trasporto dell‟energia
2.024,00
Energia reattiva
€ 110,00
Imposte erariali e addizionali
3.023,00
Totale
26.780,00
59,23%
16,65%
4,87%
7,56%
0,41%
11,29%
100,00%
Tabella 3: Voci fondamentali e aggregate in una fattura di energia elettrica.
5. Consumi di energia
Per una corretta gestione dell‟energia utilizzata in ogni realtà è necessario
implementare un sistema di controllo dei consumi in rapporto all‟attività svolta e alla
produzione finale. Tanto più è elevato il livello di dettaglio di questi due parametri
fondamentali, tanto più sarà elevato il risultato ottenibile, sia in termini di previsione
di consumi che di gestione dell‟energia.
In ogni caso si arriva ad un livello di dettaglio sempre per gradi, in un primo
momento si può iniziare rilevando consumi totali per mese dell‟intera unità
produttiva per aumentare poi il livello di dettaglio.
Definire gli indicatori richiede una analisi attenta dell‟intero ciclo produttivo e della
strumentazione di cui l‟unità produttiva dispone.
In alcuni caso possono essere necessarie campagne di misura o la installazione di
sistemi per il rilievo di dati di consumo e/o produzione.
3
5.1. Indicatori di consumo
Priorità di consumo :
- L‟intera unità produttiva;
- Reparti più importanti;
- Singola macchina di produzione.
Gli indicatori di consumo ci daranno informazioni in modo da attribuire ad ogni
prodotto il peso energetico, inoltre saremo in grado di effettuare una corretta
previsione dei consumi e un controllo incrociato verificando costantemente il
rapporto consumo / prodotto finito.
Esempi di indici specifici di consumo energetico per le utenze più rilevanti:
-
kWhElettrici/unità di prodotto;
kWh/unità superficie illuminata;
kWhTermici/ unità di superficie riscaldata;
kWhTermici/unità di prodotto.
5.2. Flussi energetici
Occorre definire il livello di importanza del peso che i costi energetici hanno sul
prodotto finale.
Ed in oltre occorre definire, almeno in termini percentuali, la suddivisione fra energia
collegata al prodotto finale ed energia necessaria agli impianti cosiddetti ausiliari.
Si definirà il quantitativo di energia perduta per la trasformazione in centrali
elettriche e termiche, per la trasformazione e per il trasporto.
6. Energia elettrica impiegata per le utilities
Per utilities si intendono i prodotti energia elettrica, energia termica, aria compressa,
acque di raffreddamento e di processo, energia frigorifera …
Nel seguito, data l‟importanza che rivestono le utilities, si riportano i principali
processi di produzione e distribuzione delle stesse.
Come esempio di gestione delle utilities si riporta uno schema operavo per le acque
di processo, facendo presente che lo stesso schema si applica, con opportuni
adattamenti, anche per le altre utilities.
6.1. Produzione e distribuzione delle acque di processo;
L‟impianto acqua industriale é costituito da n° x
derivazione dall‟acquedotto comunale.
pozzi artesiani e da una
6.1.1. Potenzialità - Materie Prime - Prodotto finito
Potenzialità
- Erogazione totale acqua dai pozzi:
- Erogazione totale acqua dall‟acquedotto:
Principali consumi specifici (valori medi)
- Energia elettrica per l‟acqua emunta dai pozzi
Caratteristiche materie prime
4
m3/h
m3/h
0,45
kWh/m3
Caratteristiche medie dell‟acqua in rete:
- pH
- alcalinità M
- durezza totale
- calcio
- magnesio
- cloruri
- silice
7.5
200
228
146
82
15
18
p.p.m. come CaCO3
p.p.m. come CaCO3
p.p.m. come CaCO3
p.p.m. come CaCO3
p.p.m. come Clp.p.m. come SiO2
6.1.2. Processo di distribuzione (v. schema n° xx)
L‟acqua prelevata dalla falda mediante pompe immerse, viene distribuita con una
rete alla pressione compresa tra ss e sss m.c.a.
Una parte (ca gg m3/h) dell‟acqua utilizzata per vvv nel reparto bbbb viene
ricuperata in un serbato e rimessa in rete da due pompe (una di riserva all‟altra).
6.1.3. Condizioni operative
Pressione dell‟acqua in rete non inferiore a 20 m.c.a.
6.1.4. Controlli analitici
Semestralmente il laboratorio esegue i seguenti controlli:
- pH
- solfati
- cloruri
- nitrati
- silice
- anidride carbonica
- sostanze organiche
- sodio
- potassio
Quanto analizzato per la produzione e distribuzione dell‟acqua di processo si
applica, con opportuni adattamenti, anche per le altre utilities di cui nel seguito si
riportano i titoli.
6.2. Produzione e distribuzione dell’energia elettrica.
6.3. Produzione e distribuzione dell’energia termica.
6.4. Produzione e distribuzione acqua in ciclo chiuso.
6.5. Produzione e distribuzione acqua demineralizzata.
6.6. Produzione e distribuzione dell’aria compressa.
6.7. Produzione e distribuzione dell’energia frigorifera.
5
7. Analisi del servizio illuminazione.
Si accenna per brevità di esposizione ai sistemi di illuminazione ad alta efficienza
mediante lampade tubolari:
- lampade tubolari con reattori standard;
- lampade tubolari con reattori elettronici.
La potenza normalmente adottata per ciascun punto luce è costituito da una o più
lampade da 18, 36, 58 W
Lampade tubolari con reattore ad alta frequenza hanno consumi energetici
nettamente inferiori a quanto consumano le lampade dotate di reattore standard.
Nella seguente tabella n. 4 si riportano valori tipici riscontrati in lampade dotate di
reattore standard ed elettronico:
Tabella degli assorbimenti nell’illuminazione con reattori standard e reattori
elettronici
Tipo di
punto
luce
Reattore
Reattore
elettronico
standard
a basse
W
perdite W
ΔW
Ore/die die/anno
€/kWh Risparmio
€/punto
%
4x18 W
96
66
30
16
230
0,13 14,35
31,25%
2x36 W
96
66
30
16
230
0,13 14,35
31,25%
2x58 W
144
98
46
16
230
0,13 22,01
31,94%
Tabella 4: Risparmio energetico nell’illuminazione.
Oltre al risparmio energetico l‟illuminazione dotata di reattore elettronico presenta
anche altre proprietà e di seguito si riportano le principali:
- accensione istantanea di tutte le lampade;
- assenza di sfarfallamento;
- non si anneriscono alle estremità;
- durata di vita nettamente superiore alle fluorescenti tradizionali;
- minori spese di manutenzione;
- elevato fattore di potenza;
- flusso luminoso costante nel tempo.
8. Analisi dei consumi di energia reattiva.
Un eccesso di assorbimento dalla rete elettrica di energia reattiva comporta
sovraccarico della rete stessa e il Distributore applica penali.
Per evitare tali penali si rende necessario procedere ad un investimento di
rifasamento dei carichi elettrici. Rifasando oltre alla eliminazione delle penali si
conseguono altri importanti vantaggi. Di seguito si riportano i vantaggi, i criteri di
rifasamento e il calcolo della potenza di rifasamento.
8.1. Vantaggi del rifasamento
-
riduzione delle perdite Joule;
migliore utilizzo dei trasformatori;
6
- aumento di potenzialità;
- riduzione della caduta di tensione.
8.2. Criteri di rifasamento
-
rifasamento con unica batteria frazionata in gradini e con regolazione
automatica della potenza reattiva;
rifasamento separato per settori di carico;
rifasamento diretto dei carichi
8.3. Calcolo della potenza reattiva
-
sulla base dei dati di più fatture;
ricorrendo a misure dirette
potenza reattiva da compensare
Q = P × (tangφ0 - tangφ1)
P = potenza del carico;
tangφ0 = prima del rifasamento;
tangφ1 = dopo il rifasamento.
7
9. Utilizzazione ed efficienza dei motori elettrici.
9.1. Motori elettrici ad elevato rendimento
9.1.1. Premessa ai motori elettrici ad elevata efficienza
Figura n. 1: Elementi costruttivi di un motore elettrico
I motori elettrici ad alto motori, classificati come Eff 1 ed Eff 2, sono caratterizzati da
rendimenti superiori rispetto a quelli dei motori tradizionali (motori standard) e le
differenze di rendimento variano in funzione della potenza e del coefficiente di
carico di funzionamento.
Le migliori prestazioni di un motore si hanno con funzionamento al 70 ÷ 80 % della
potenza nominale, mantenendosi quasi costante fino alla potenza nominale e
peggiorando sensibilmente al diminuire del coefficiente di carico.
Sulle targhette identificative dei motori di efficienza superiore a quella dei motori
standard devono essere riportati obbligatoriamente i simboli:
Oltre alla migliori prestazioni in termini di efficienza i motori elettrici in classe Eff 1
presentano altri vantaggi anch‟essi di fondamentale importanza e sono
principalmente minore rumorosità e maggiore durata.
9.1.2. Prestazioni dei motori ad elevato rendimento
La definizione dei motori ad alto rendimento è fatta con riferimento alle indicazioni
della associazione europea dei costruttori di motori C.E.M.E.P. (European
8
Committee of Manufacturers of Electrical Machines and Power Electronics), che
classifica il rendimento dei motori in tre classi.
Nelle Tabelle n. 5 e n. 6 sono indicati i rendimenti minimi dei motori, a 2 poli e 4 poli
rispettivamente, per le varie classi di potenza, definiti dai costruttori di motori come
parte dell‟accordo volontario tra C.E.M.E.P. e la direzione DG XVII della Comunità
Europea.
Potenza kW.
Eff 3
Eff 2
Eff 1
11
< 88,4
> 88,4
> 90,5
15
< 89,4
> 89,4
> 91,3
18
< 90,0
> 90,0
> 91,8
22
< 90,5
> 90,5
> 92,2
30
< 91,4
> 91,4
> 92,9
37
< 92,0
> 92,0
> 93,3
45
< 92,5
> 92,5
> 93,7
55
< 93,0
> 93,0
> 94,0
75
< 93,6
> 93,6
> 94,6
90
< 93,9
> 93,9
> 95,0
Tabella 5: Classi di rendimento per motori a 2 poli. Valori in %
Potenza kW.
11
15
18
22
30
37
45
55
75
90
Eff 3
< 88,4
< 89,4
< 90,0
< 90,5
< 91,4
< 92,0
< 92,5
< 93,0
< 93,6
< 93,9
Eff 2
> 88,4
> 89,4
> 90,0
> 90,5
> 91,4
> 92,0
> 92,5
> 93,0
> 93,6
> 93,9
Eff 1
> 91,0
> 91,8
> 92,2
> 92,6
> 93,2
> 93,6
> 93,9
> 94,2
> 94,7
> 95,0
Tabella 6: Classi di rendimento per motori a 4 poli. Valori in %
La classificazione C.E.M.E.P. assegna ai motori con rendimento più elevato una
categoria decrescente, pertanto i motori Eff 1 risultano più efficienti di quelli Eff 3.
Per motori nuovi, di potenza compresa tra 2,2 e 132 kW, sono stati raccolti dati di
rendimento riferiti alle costruzioni standard (Eff 3) ed a quelle con alto rendimento
(Eff 1).
Le elaborazioni eseguite hanno permesso la costruzione del seguente grafico n. 1,
dove sono riportati, per i motori a due poli, i campi di rendimento dei motori
standard, di quelli con efficienza Eff 2, e di quelli ad elevata efficienza Eff 1
funzionanti alla potenzialità nominale.
9
Curve di rendimento
98
96
94
motori in Eff 1
Rendimento %
92
motori in Eff 2
90
motori std
88
86
84
82
80
78
0
2,
0
13
,0
0,
11
90
,0
75
,0
55
,0
45
,0
37
,0
30
,0
22
,5
18
5
7,
,0
5
5,
15
0
4,
,0
0
3,
11
2
2,
76
kW
Motore Eff 1
Motore std
Grafico n. 1: Rendimento dei motori ad alto rendimento e std
Nel caso di funzionamento a carico ridotto, le differenze di rendimento sono più
sostanziali e a titolo di esempio si riporta nel grafico n. 2 l‟efficienza per il
funzionamento al 100 % e quella per il funzionamento al 25 % della potenza
nominale:
10
98
96
94
92
90
88
86
84
82
80
78
76
74
72
70
5,5
7,5
11
15
Eff 1 P nom.
18,5
22
30
Std P nom.
37
45
55
Eff 1 P25 %
75
90
110
132
Std P 25 %
Grafico n. 2: Rendimento dei motori ad alta efficienza e std al 100 % e al 25 % della potenza
nominale
Dall‟analisi dei suddetti grafici si rileva l‟importanza di utilizzare motori funzionanti
nel campo di potenza compreso tra il 70 % e il 100 % della potenza nominale: in
tale campo l‟efficienza si mantiene sufficientemente prossima a quella ottimale.
Analogo andamento presentano le curve di rendimento dei motori a 4 poli.
9.1.3. Rumorosità
Oltre ai vantaggi esposti, i motori ad alto rendimento sono meno rumorosi della
serie standard. Ciò è principalmente connesso al fatto che, presentando meno
perdite, hanno minore necessità di raffreddamento. Pertanto il rumore associato alla
ventola di raffreddamento è inferiore, con grosso vantaggio per il rumore globale del
motore.
Nel grafico n. 3 si mostra il confronto tra il rumore globale di un motore ad alto
rendimento ed un motore std. Dall‟esame di tale grafico si rileva che in generale il
livello sonoro diminuisce di pochi dB(A) per i motori di piccola potenza, mentre è di
poco inferiore a 10 dB(A) per motori più grossi.
11
Confronto del rumore dei motori ad alto rendimento con quello
dei motori std
90
85
80
dB(A)
75
70
65
60
55
50
5,5
7,5
11
15
18,5
22
30
37
45
55
75
90
110
132
kW
Motore Eff 1
Motore std
Grafico n. 3: Rumorosità motori ad elevato rendimento
9.1.4. Vita utile
I motori ad alto rendimento sono più robusti di quelli standard perché hanno minori
perdite e gli avvolgimenti ed i cuscinetti sono più freddi di 10 ÷ 20 °C. Per tali fattori
la vita media del motore ad alto rendimento può essere considerata pari a 1,5 ÷ 2
volte superiore a quella dei motori standard.
La maggiore robustezza dei motori ad alto rendimento consente inoltre di avere
minori oneri di manutenzione e minori fuori servizio, migliorando quindi la continuità
d‟esercizio degli impianti con riduzioni di perdita di produzione.
Per il fatto di essere maggiormente robusti e garantendo una durata in esercizio
elevata, quando si presenta la necessità di dover sostituire un motore, è necessario
fare prima una verifica dell‟eventuale sovradimensionamento relativamente al
servizio richiesto. Motori sovradimensionati sono eserciti a basso fattore di carico e
quindi a basso rendimento. In questo caso la loro sostituzione con motori ad alto
rendimento di potenza più idonea consente di funzionare al fattore di carico più
favorevole ( 70 ÷ 90 % della potenza nominale) oltre ad offrire il vantaggio dei
minori consumi del motore ad alto rendimento.
Ovviamente l‟investimento sarà rapportato alla potenza ridotta prescelta, rendendo
ancora più favorevoli i parametri di convenienza economica della sostituzione. In
questi casi è ovviante necessario verificare la sostituzione del motore non provochi
oneri aggiuntivi di installazione (ad esempio adeguamento del basamento) da
considerare nel calcolo complessivo della convenienza.
12
9.1.5. Motori revisionati
L‟alternativa alla sostituzione di un motore rotto con uno ad elevato rendimento, è la
manutenzione straordinaria con la completa sostituzione dell‟avvolgimento. La
riparazione di motori, o la revisione totale, comporta una riduzione del rendimento
del motore rispetto a quella iniziale.
Benché tale riduzione possa essere determinata in modo preciso solo dopo
l‟intervento manutentivo, in generale la riduzione di rendimento è stimata tra lo 0,50
%, per riparazioni a regola d‟arte (“best practices”), e lo 1% nel caso di riparazioni
“standard”. In modo analogo la vita media dei motori sottoposti ad interventi
manutentivi si riduce notevolmente in funzione dei trattamenti termici a cui viene
sottoposto il motore.
Pertanto un motore dovrebbe essere soggetto una sola volta nella sua vita ad una
revisione totale.
10. Esame delle utenze a flusso variabile.
10.1.
Premessa agli azionamenti a velocità variabile
Nei processi produttivi esistono macchine che devono operare a velocità costante
ed altre che possono essere regolate in velocità come ad esempio i compressori,
ventilatori e le pompe.
Esistono diverse tecnologie per regolare la velocità dei motori, ma per avere il
maggior rendimento sono di gran lunga preferibili i sistemi a frequenza variabile.
La velocità variabile consente, nel caso di funzionamento in condizioni di flusso
variabile, significativi risparmi energetici. Le caratteristiche che rendono il sistema a
velocità variabile più efficiente rispetto ai metodi tradizionali, ivi incluso l‟utilizzo di
motori in corrente continua, sono:
utilizzo del motore asincrono che, come è noto, è meccanicamente semplice e
robusto;
in rapporto alla potenza il motore asincrono ha un peso contenuto;
il motore asincrono presenta globalmente minori costi di manutenzione.
In generale il risparmio energetico conseguibile con motori a velocità variabile è
compreso tra il 15 ed il 65% per ventilatori e pompe con regolazione del flusso
mediante valvola di strozzamento a valle della macchina, mentre è pari a circa il
15% ÷ 25% nel caso di valvola montata a monte della macchina.
Nel grafico n. 4 viene riportato il risparmio di energia ottenibile in funzione della
variazione di portata nei tre casi:
assorbimento con serranda di strozzamento a valle;
assorbimento con serranda di strozzamento a monte;
assorbimento con regolazione della velocità.
13
Curve caratteristiche di assorbimento di un ventilatore
1,2
P / Pmax
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
0,25
0,375
0,5
0,625
0,75
0,875
1
Ů/ Ůmax
Regolazione di velocità
Serranda a monte
Serranda a valle
Grafico n. 4: Consumi energetici di un ventilatore in funzione della tipologia di regolazione del flusso
P
Pmax
Û
Ûmax
Potenza assorbita kW
Potenza al 100% del carico
3
Flusso d‟aria m /h
3
Flusso massimo al 100% del carico m /h
Come si vede i migliori risultati si ottengono passando dalla regolazione a valle alla
regolazione di velocità..
10.2.
Azionamenti a velocità variabile
Esistono diverse tecnologie per regolare la velocità dei motori:
- sistemi a frequenza variabile (inverter vettoriale) per l‟alimentazione di
motori in corrente alternata (AC);
- sistemi di alimentazione dei motori in corrente continua (DC).
10.3.
Inverter vettoriali
Questo apparecchio per il controllo dei motori asincroni trifasi ha praticamente reso
quasi identiche le caratteristiche di un motore a corrente alternata (AC) con un
motore in corrente continua (DC) a collettore.
Negli inverter tradizionali, detti anche scalari, la stabilità della velocità non può
essere assicurata, in quanto dipende dalla coppia del carico.
Negli inverter vettoriali invece, grazie a microprocessori ad elevata velocità che
hanno in memoria un modello sofisticato del motore ad induzione, si ottiene un
sistema efficace per il controllo della coppia e della velocità come nel motore DC.
Nel motore DC il controllo di coppia e velocità si attua con le correnti di eccitazione
e di armatura.
Nel motore AC queste due componenti “viaggiano” nello stesso cavo, e sono
rappresentate dal “vettore corrente attiva” e dal “vettore corrente reattiva induttiva”.
Grazie al controllo di queste due componenti l‟inverter vettoriale attua un controllo
del motore che ha prestazioni dinamiche che superano quelle offerte da un
azionamento in corrente continua.
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Alcuni costruttori di inverter vettoriali hanno modelli a catalogo le cui prestazioni in
tema di “risposta in coppia” sono anche dieci volte più veloci di quelle di un
azionamento DC.
10.4. Fattore di Potenza
Tutti gli inverter in uso oggi alimentano i motori in tecnica PWM (Pulse Width
Modulation), sistema che permette di avere, indipendentemente dalle condizioni di
funzionamento del motore (carico e velocità) un cosφ verso la rete di 0.95 circa.
I convertitori elettronici per l‟alimentazione dei motori DC, invece, hanno un fattore
di potenza che varia con la velocità, ed è compreso tra 0 e 0,9, cosicché se il
motore gira ad un regime che non è il massimo si può avere un cosφ molto basso.
10.5.
Guasto del Convertitore
Nel caso si verificasse un guasto all‟elettronica di controllo, il motore AC, anche
solo per una manovra di emergenza, è avviabile collegandolo direttamente alla rete.
10.6. Caratteristiche dei motori a velocità variabile
10.6.1. Confronto tra motori in AC e motori in DC
Il mercato dei motori elettrici degli anni 2000 è sempre più dominato dai motori
asincroni trifasi, anche detti motori ad induzione.
Questa tendenza è cominciata nel finire degli anni „80, quando i transistor hanno
raggiunto una elevata qualità ed affidabilità.
Questi componenti, infatti, si sono dimostrati fondamentali per lo sviluppo
dell‟elettronica di potenza al fine di realizzare dispositivi per il controllo dei motori
asincroni trifasi, ossia gli Inverter.
Prima di allora la regolazione della velocità sui motori asincroni trifasi era pressoché
impossibile e si attuava o con sistemi meccanici (variatori di giri) o con sistemi
elettromeccanici, ma con notevoli perdite energetiche.
Si ricorreva quindi ai motori in corrente continua a collettore.
Gli inverter negli anni „90 si sono sempre più affermati per il controllo di velocità dei
motori asincroni, e tale tecnologia, nella metà degli anni 90, ha visto l‟introduzione
di un nuovo modello ancora più rivoluzionario del primo : gli inverter “vettoriali”.
Con questa tecnologia si è praticamente arrivati al controllo del motore asincrono
trifase completo e di grande precisione, tale da rendere il motore in corrente
continua obsoleto.
Attualmente il mercato italiano dei motori elettrici in bassa tensione è
indicativamente così suddiviso:
- Motori Asincroni Trifasi
80 %
1
16 %
- Motori in Corrente Continua
4 %
1
Il motore brushless è un motore elettrico a magneti permanenti. A differenza di uno a spazzole,
non ha bisogno di contatti elettrici striscianti sull'albero motore per funzionare (da qui il nome). La
commutazione della corrente circolante negli avvolgimenti, infatti, non avviene più per via meccanica
(tramite i contatti striscianti), ma elettronicamente. Ciò comporta una minore resistenza meccanica,
elimina la possibilità che si formino scintille al crescere della velocità di rotazione, e riduce
notevolmente la necessità di manutenzione periodica.
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Nella seguente tabella n. 7 vengono riportate le caratteristiche dei motori in corrente
continua con i motori in corrente alternata:
Voce
Motore AC
Dimensioni
Temperatura Max Consentita
Grado di Protezione
Manutenzione
Momento d‟inerzia
Robustezza Meccanica
Velocità Massima Consentita
Protezione Termica
Limiti di Potenza
Limiti di Tensione
Risposta “Elettrica”
Rendimento
Costi
Minore
Alta
Qualsiasi (da IP44 a IP65)
Nessuna
Minore
Ottima
Maggiore
Semplice
Nessuno
BT ed MT (fino a 10 kV)
Maggiore
Elevato
Modesto
Motore DC
Maggiore
Media
Con limitazioni
Notevole
Superiore
Bassa
Inferiore
Complessa
kW * RPM < 2.600.000
BT (fino 500V)
Inferiore
Inferiore (circa 10 ÷ 15 %)
Elevato
Tabella n. 7: Confronto motori AC / motori DC
Naturalmente per avere il vantaggio del motore a velocità variabile qual è quello in
corrente continua, la sostituzione con altro in corrente alternata richiede
l‟inserimento di un inverter e nella seguente tabella n. 8 si riportano i principali
vantaggi e svantaggi dell‟inverter:
Voce
Inverter + AC
Fattore di Potenza
Sempre ottimale
Guasto del
Convertitore
Costi
Parzialmente
recuperabile
Elevato
Convertitore + DC
Molto variabile (0 < Cosφ <
0,9)
Irrimediabile
Elevato
Tabella n. 8: Confronto Inverter AC / Convertitore DC
11. Consumi di energia termica - Risparmi e recuperi
L‟energia termica al pari dell‟energia elettrica è indispensabile per la realizzazione
di quasi tutti i processi produttivi. I possibili risparmi si possono conseguire
analizzando attentamente le seguenti situazioni:
-
calore delle condense scaricate direttamente in fogna;
calore sensibile dei fumi;
calore disperso per cattiva coibentazione;
calore per mantenere temperature eccessivamente elevate.
Bibliografia e nota:
Questo documento è frutto di una ricerca su vari siti internet, su riviste specialistiche, su
documentazione di case costruttrici di motori e su una vasta esperienza dell’autore.
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