“Azionamenti a velocità variabile per il risparmio energetico”
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Azionamenti a velocità variabile Il miglioramento dell’efficienza energetica: il benessere dell’azienda e del Pianeta Terra Consumi di d energia elettrica l nell’industria ll’ d “Azionamenti a velocità variabile per il risparmio energetico” Potenziali risparmi di energia con: ¾ Motori ad alta efficienza Prof. Domenico Casadei ¾ Azionamenti a velocità variabile - VSD Dipartimento di Ingegneria Elettrica-DIE Elettrica DIE Alma Mater Studiorum Università di Bologna Aula Magna – Facoltà di Ingegneria, 26 ottobre 2009 2 Azionamenti a velocità variabile Azionamenti a velocità variabile BILANCIO DELL'ENERGIA ELETTRICA – ITALIA Dati in milioni di KWh (GWh) - PERIODO: 2001 - 2007 Operatori del mercato elettrico - Produzione lorda BILANCIO DELL'ENERGIA ELETTRICA - EMILIA-ROMAGNA Dati in milioni di KWh (GWh) - PERIODO: 2001 – 2007 Operatori del mercato elettrico - Produzione lorda Anni Idroelettrica Termoelettrica tradizionale Geotermo -elettrica Eolica e Totale fotovoltaica Energia richiesta 2001 52.243,9 200.630,3 4.506,6 1.183,4 258.564,2 288.083,1 2002 45.799,8 212.280,6 4.662,3 1.408,3 264.151,1 294.708,6 2003 43.186,1 224.351,6 5.340,5 1.463,5 274.341,7 306.221,3 2004 48 915 8 48.915,8 228 081 3 228.081,3 5 437 3 5.437,3 1 847 9 1.847,9 284 282 3 284.282,3 310 508 3 310.508,3 2005 42.127,9 234.085,2 5.324,5 2.344,6 283.882,2 315.410,4 2006 42.565,8 244.670,4 5.527,4 2.970,2 295.733,7 322.890,6 2007 37.777,7 247.350,5 5.569,1 4.072,9 294.770,1 325.618,4 3 Anni Idro-elettrica TermoGeotermo elettrica -elettrica tradizionale Eolica e fotovoltaica Totale 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 1.394,7 1.374,0 1.248,0 1.357,0 1.182,8 1.139,4 1.150,0 4,5 1,4 3,2 3,7 2,2 3,0 7,4 10.031,1 13.330,6 22.977,0 25.193,8 23.536,5 23.795,7 25.459,8 8.631,8 11.955,2 21.725,8 23.833,0 22.351,5 22.653,4 24.302,3 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 Energia richiesta 23.758,5 24.743,8 26.096,7 26.601,6 27.294,3 28.031,5 28.244,4 4 1 Azionamenti a velocità variabile Azionamenti a velocità variabile Consumi elettrici per settore ¾ Nel nostro paese, circa il 50% dell’energia elettrica viene utilizzata nell’industria ¾ Di questa, circa l’75% è utilizzata per alimentare i motori elettrici (principalmente asincroni trifase) Ripartizione dei consumi elettrici per settore Ripartizione dei consumi elettrici nell’industria 5 Azionamenti a velocità variabile Azionamenti a velocità variabile Consumo di energia elettrica nell’industria nell industria italiana (50% del totale) 160 TWh / anno 6 Queste stime derivano dalla constatazione che: Motori Elettrici 120 TWh / anno ¾ La maggioranza dei motori sono costruzione e con bassi rendimenti di vecchia ¾ Molto spesso funzionano a potenza ridotta e quindi con un decadimento vistoso della loro efficienza Utilizzando le più moderne tecnologie appare ragionevole ipotizzare un risparmio di energia di circa il 20% ¾ Nelle applicazioni vengono utilizzati dissipativi per la regolazione dei processi sistemi 24 TWh / anno 7 8 2 Azionamenti a velocità variabile Azionamenti a velocità variabile Efficienza di un motore asincrono Miglioramenti significativi dell’efficienza si possono ottenere: Perdite nel ferro (18-20 %) 1. Aumentando l’efficienza del motore Perdite p per attrito e ventilazione (10-12%) Perdite nel rame dello statore (30-36%) Motori ad alta efficienza 2. Migliorando l’efficienza dei sistemi azionati dai motori Perdite nel rotore (20-26%) Convertitori di frequenza -Inverter Perdite addizionali a pieno carico (12-14%) 9 Azionamenti a velocità variabile Azionamenti a velocità variabile Efficienza di un motore asincrono Perdite nel ferro dello statore 10 Efficienza di un motore asincrono Migliore qualità lamierini Lamierini più sottili Pacchi più lunghi Minore traferro Perdite nel rame dello statore Ottimizzazione forma delle cave statoriche Aumento del volume del rame nello statore 8050 lamierini standard 5350, 3150 lamierini standard a basse perdite 5350H, 8050H “premium steel” 11 12 3 Azionamenti a velocità variabile Azionamenti a velocità variabile Efficienza di un motore asincrono Efficienza di un motore asincrono Maggiore sezione delle barre e degli anelli di cortocircuito Perdite nel rotore Ottimizzazione forma delle cave rotoriche Rotori in rame Ventole più piccole Perdite per attrito e ventilazione Migliori cuscinetti Bilanciamento rotore Riduzione delle perdite rispetto alluminio 15% - 30% 13 Azionamenti a velocità variabile 14 Azionamenti a velocità variabile Efficienza di un motore asincrono Efficienza di un motore asincrono La riduzione delle perdite in un motore comporta in generale, oltre al vantaggio del risparmio energetico, anche una riduzione delle sovratemperatura e quindi: ¾ un aumento della vita degli isolanti (a parità del sistema di isolamento) e del grasso di lubrificazione ¾ la possibilità di ridurre la ventilazione e la rumorosità ad essa collegata L’aumento del rendimento di un motore comporta inevitabilmente un aumento delle parti attive (lamierini magnetici, rame, alluminio) e quindi anche maggiori costi. Il costo totale (acquisto, manutenzione e consumi) legato al ciclo di vita di un motore asincrono è composto: 98% costo del consumo d’energia elettrica, 2% costo iniziale l e manutenzione. Si deve quindi prestare particolare attenzione al rendimento del motore piuttosto che concentrarsi prevalentemente sull’incidenza dei costi d’acquisto. 15 16 4 Azionamenti a velocità variabile Azionamenti a velocità variabile Efficienza dei sistemi azionati da motori elettrici Efficienza dei sistemi azionati da motori elettrici L’impiego degli inverter consente di: Può essere notevolmente migliorata azionamenti elettrici a velocità variabile …. impiegando ¾ ridurre le perdite nei motori ¾ aumentare l’efficienza nei processi di regolazione La velocità può esser variata tramite dispositivi ad alto rendimento Inverter 17 18 Azionamenti a velocità variabile Azionamenti a velocità variabile Caratteristica meccanica dei motori asincroni 3 AC, 400 V, 50 Hz I Inom Inverter 8 7 Sistema di regolazione della velocità ad alta efficienza Inom Cnom 3.5 6 velocità variabile C 4.0 Isp Cmax 3.0 5 2.5 4 2.0 3 1.5 2 1.0 1 0.5 0 Cnom 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 n ns 19 5 Azionamenti a velocità variabile Azionamenti a velocità variabile Caratteristica meccanica dei motori asincroni I Inom 4.0 7 3.5 6 Cmax C 4.0 Cnom ns = 3.0 60 f 60 x 50 = = 1500 g / min p 2 3.0 Cmax 2.5 2.5 4 2.0 2.0 1.5 zona di funzionamento ad alta efficienza 2 1.0 1 Cnom caratteristica del carico 0.5 0 1.5 punto di funzionamento a carico 1.0 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 Cnom 0.5 0 0.1 C Cnom 3.5 5 3 Inom Caratteristica meccanica dei motori asincroni 8 0 n 1.0 g/min 150 300 450 600 750 900 1050 1200 1350 1500 ns Azionamenti a velocità variabile Azionamenti a velocità variabile Regolazione di velocità dei motori asincroni 4.0 C 3.5 60 f ns = p Cmax In realtà se si riducesse solo la frequenza di alimentazione si avrebbe un aumento limitato del flusso magnetico e della coppia massima, a fronte di un aumento significativo della corrente magnetizzante ….. 3.0 2.5 regolando la frequenza di alimentazione si può traslare la caratteristica meccanica … 2.0 1.5 1.0 carico Regolazione di velocità dei motori asincroni Cnom v = cost f Cnom 0.5 0 g/min 150 300 450 600 750 900 1050 1200 1350 1500 24 6 Azionamenti a velocità variabile Azionamenti a velocità variabile Regolazione di velocità dei motori asincroni Regolazione di velocità dei motori asincroni Avviando il motore a bassa frequenza si ottiene una notevole riduzione d d ll corrente di della d spunto …… Per traslare le caratteristiche parallelamente a sé stesse non è sufficiente regolare sola la frequenza di alimentazione, ma si deve cambiare anche l’ampiezza della tensione di alimentazione … v f Azionamenti a velocità variabile Azionamenti a velocità variabile Regolazione di velocità dei motori asincroni Regolazione di velocità dei motori asincroni Per generare un sistema trifase di tensioni regolabili in ampiezza e frequenza occorre un inverter Durante le fermate se si riduce progressivamente la frequenza di alimentazione si possono effettuare frenature a recupero di energia….. 3 AC, 400 V, 50 Hz Inverter v t v t tensioni in ingresso v t tensioni in uscita filtrate 7 Azionamenti a velocità variabile Azionamenti a velocità variabile Regolazione di velocità dei motori asincroni raddrizzatore capacità à Modulazione dell’ ampiezza degli impulsi (PWM) inverter motore asincrono v tensione prodotta dall’inverter v t alimentazione 3 AC, 400 V La frequenza di commutazione della PWM può variare in genere da alcuni kHz a 15-20 kHz (all’aumentare diminuisce la rumorosità del motore ma aumentano le perdite di commutazione degli IGBT) t dc link tensioni di uscita 1.35x400=540 V f, V variabili 29 Azionamenti a velocità variabile Azionamenti a velocità variabile 9 frenatura a recupero di energia 9 controllo di coppia e potenza in un ampio range di velocità 9 miglioramento del fattore di potenza 9 migliori risposte dinamiche del sistema 9 possibilità di by-pass del sistema (in caso di guasto) 9 ulteriori risparmi energetici con funzionalità specifiche (riduzione del flusso ai bassi carichi….) Miglioramento dell’efficienza nei processi di regolazione Regolazione di portata per ventilatori centrifughi numero di o ore per anno Vantaggi con l’impiego degli inverter 9 avviamento “soft”dei soft dei motori (eliminazione di elevate corrente di spunto, stress meccanici come colpi d’ariete e sovrapressioni…) % della portata nominale 31 32 8 Azionamenti a velocità variabile Azionamenti a velocità variabile Riduzione della portata dal 100% al 66% A regolazione della portata a velocità fissa regolazione velocità fissa velocità variabile risparmio portata potenza ventilatore 66% 5.500 [W] 66% 2.500 [W] %P0 0.64 P0 0.29 P0 0.35 P0 P0= 8.600 W B regolazione della portata a velocità variabile 33 34 Azionamenti a velocità variabile Azionamenti a velocità variabile regolazione della portata a velocità fissa prevalenza H3 H2 H1 fluidi polverosi caratteristica resistente del fluido fluidi puliti o leggermente polverosi potenza portata P1 P2 P3 fluidi molto polverosi con materiale in sospensione Q3 Q2 Q1 35 9 Azionamenti a velocità variabile regolazione della portata a velocità variabile prevalenza H1 Azionamenti a velocità variabile regolazione della portata a velocità variabile prevalenza H1 caratteristica resistente del fluido H2 H3 caratteristica resistente del fluido H2 H3 potenza portata potenza P1 P1 P2 P2 P3 P3 Q3 Q2 Q1 Azionamenti a velocità variabile portata Q3 Q2 Q1 Azionamenti a velocità variabile Conclusioni 9 L’impiego di motori ad alta efficienza e di inverter per la regolazione di velocità comportano maggiori costi iniziali 9 Questi sistemi consentono, tuttavia, di risparmiare notevoli quantità di energia 9 Calcoli economici dimostrano che il tempo di ritorno degli investimenti è molto breve rispetto al tempo di vita 9 Gli interventi successivi metteranno in evidenza questi aspetti con alcuni esempi pratici 40 10 Azionamenti a velocità variabile Azionamenti a velocità variabile La recente Norma IEC 60034-30:2008 prevede inoltre una nuova definizione delle classi di efficienza energetica con denominazioni del tipo: IE-1, IE-2, IE-3. Rendimento motori asincroni 4 poli secondo IEC 60034-30 La recente Norma IEC 60034-30:2008 prevede inoltre una nuova definizione delle classi di efficienza energetica con denominazioni del tipo: IE-1, IE-2, IE-3. 100 Rend dimento % 95 WRSM WRSM 90 Potenza [kW] Rendimento Motore standard Rendimento IE-1 Rendimento IE-2 (anno 2011) Rendimento IE-3 (anno 2015) Rendimento WRSM 11 86.8 % 87.6 % 89.8 % 91.4 % 95 % IE3 IE2 85 IE1 80 75 0 20 40 60 80 100 Potenza [kW] 41 42 11
