Come risparmiare energia e costi con un azionamento a frequenza variabile (VFD)?

I motori elettrici sono alla base delle industrie manifatturiere e le apparecchiature a motore rappresentano il 64% dell'elettricità totale consumata. Quando i produttori cercano un modo per ottimizzare i loro processi, l'efficienza energetica è la loro preoccupazione principale. Il settore ha adottato la tecnologia dei convertitori di frequenza (VFD) come soluzione preferita per risparmiare energia, come spiegato nella sezione 3 di "Manutenzione intelligente": White paper L’evoluzione della manutenzione predittiva (PdM).

I VFD controllano i motori a corrente alternata in applicazioni quali ventilatori, pompe, soffianti, miscelatori, trasportatori e altri carichi variabili. Questo articolo spiega il funzionamento del VFD e il suo contributo in termini di energia e costi.

Che cos'è un azionamento a frequenza variabile (VFD)?

Un azionamento a frequenza variabile (VFD), noto anche come inverter, è un tipo di controller per motori che aziona un motore a corrente alternata variando la frequenza e la tensione fornita al motore. I VFD riducono l'energia elettrica e permettono agli operatori di regolare con precisione la velocità del motore per adattarla al carico richiesto dal sistema. Nei motori AC a induzione, un rotore non magnetizzato (ma elettricamente conduttivo) ruota leggermente più lentamente della velocità sincrona del campo magnetico rotante. La velocità di rotazione di questo campo magnetico è direttamente proporzionale alla frequenza della corrente alternata e inversamente proporzionale al numero di poli dello statore:

S = 120 f / n

dove

S = velocità sincrona del campo magnetico rotante, in giri al minuto (RPM)

f = Frequenza, in cicli al secondo (Hz)

n = Numero totale di poli dello statore per fase

Nell'equazione precedente, la frequenza è direttamente correlata alla velocità del motore. La Figura 1 illustra le tre parti che compongono il VFD: il raddrizzatore, il filtro e l'inverter. Il raddrizzatore utilizza dei diodi per convertire la corrente AC della linea in corrente DC. Il filtro riduce l'ondulazione della corrente DC raddrizzata. L'inverter riconverte la corrente DC filtrata in corrente AC, ma questa volta alla frequenza e ai livelli di tensione necessari per far funzionare il motore a diverse velocità.

Figure1: Schema a blocchi di un inverter

Tipi di motori a induzione in base ai diversi carichi operativi

Un motore a induzione, a seconda delle diverse condizioni di carico, può essere classificato nelle seguenti categorie:

Carico a potenza costante

Le smerigliatrici, gli avvolgitori e i torni richiedono una coppia elevata a bassa velocità e una coppia bassa ad alta velocità. Quando la velocità di funzionamento diminuisce, la coppia aumenta, mantenendo costante la potenza richiesta.

Carico di coppia costante

Le pompe a pistoni, i compressori, i trasportatori e i motori di trazione richiedono la stessa quantità di coppia sia alle basse che alle alte velocità. In questa condizione, la coppia rimane costante per tutta la gamma di velocità e la potenza in cavalli aumenta e diminuisce in modo direttamente proporzionale alla velocità. Al variare della velocità, la coppia di carico rimarrà ragionevolmente costante e la potenza in cavalli cambierà linearmente con la velocità.

Carico a coppia variabile

Applicazioni come pompe centrifughe e assiali, ventilatori e soffianti richiedono una coppia molto più bassa alle basse velocità rispetto alle alte velocità. La coppia richiesta varia con il quadrato della velocità e la potenza richiesta varia con il cubo della velocità.

Figure2: Diverse condizioni di carico di un motore a induzione

In che modo i VFD contribuiscono a risparmiare energia e costi?

La Legge di affinità approssima il risparmio energetico potenziale riducendo la potenza del motore per gestire la velocità. Una riduzione del 25% della velocità del motore riduce il consumo energetico di quasi il 60%, mentre una riduzione del 50% della velocità del motore riduce il consumo energetico di quasi il 90%. Pertanto, la riduzione della velocità del motore è spesso il modo più semplice per risparmiare energia nella maggior parte delle applicazioni di controllo del movimento. I VFD possono contribuire al risparmio energetico e alla riduzione dei costi operativi nei seguenti modi:

Riduzione della corrente di spunto

Un'elevata corrente di spunto può causare fastidi, facendo scattare i dispositivi di protezione o danneggiando il motore. Può anche causare cadute di tensione nella linea di alimentazione o addirittura impedire al motore di avviarsi correttamente. Un'elevata corrente di spunto porta anche a un'elevata produzione di coppia all'avvio, che può causare un'accelerazione improvvisa e severa che danneggia i carichi meccanici. Un'elevata corrente di spunto aumenta anche il fabbisogno elettrico, e un fabbisogno elevato porta a costi elevati. Un VFD può ridurre la corrente di spunto iniziale diminuendo la tensione al motore quando inizia ad accelerare i carichi. Questa tensione più bassa riduce la corrente assorbita dal motore. I VFD riducono la corrente di spunto, riducendo il rischio di guasti prematuri ed eliminando i costi di richiesta, riducendo così i costi energetici e di manutenzione.



Figure3: Effetto della corrente di spunto nei motori

Sfruttando la legge di affinità

Nel caso della pompa centrifuga, la legge di affinità specifica la relazione tra velocità e potenza.

Potenza (HP) = Portata (Q) × Prevalenza (H) ............. (1)

Dove Q ∝ Velocità (N)

E H ∝ N2

Pertanto, HP ∝ N3 ............. (2)

Si tratta quindi dell'opzione migliore per regolare la frequenza e la velocità di alimentazione per controllare il flusso invece della tradizionale strozzatura della valvola. La legge di affinità consente di risparmiare una notevole quantità di energia.



Figure4: Legge di affinità per pompe centrifughe

Secondo le leggi di affinità, una velocità inferiore del motore equivale a un minor consumo di energia. Ad esempio, un motore che funziona all'80% della velocità massima richiede il 51,2% dell'elettricità di un motore che funziona al 100% della velocità. (Utilizzando l'equazione n.2 80% x 80% x 80% = 0,512). Un VFD che controlla una pompa o una ventola può produrre ampi risparmi durante la sua vita operativa.

Utilizzando la modalità dinamica V/f:

La modalità dinamica Volt per Hertz, comunemente chiamata V/f, è pensata per le condizioni in cui è necessario ridurre al minimo le perdite di potenza del motore in condizioni di basso carico. In questa modalità, l'inverter varia la tensione alla caratteristica di frequenza che si applica al motore in base al livello di carico. In questo modo, la tensione del motore si riduce di conseguenza per una determinata frequenza a livelli di carico ridotti. Questo metodo riduce la corrente di magnetizzazione, riducendo le perdite del motore.

Controllore PID integrato:

I VFD di nuova generazione sono dotati di un circuito PID integrato, che può essere attivato e impostato con un numero limitato di parametri. Puoi inserire il set point direttamente nella programmazione del VFD. Non è necessario collegare un controllore logico programmabile (PLC), interfacciarlo con il VFD e programmarlo separatamente. Il segnale di feedback del sensore viene inviato direttamente all'ingresso analogico del VFD. Il valore del set point e il feedback del sensore aiutano il VFD a determinare se il motore deve accelerare o rallentare per soddisfare il set point. Ciò massimizza l'efficienza energetica perché il motore gira solo per soddisfare la richiesta del valore di set point attuale. Allo stesso tempo, riduce i costi perché non è necessario acquistare o programmare il PLC.

Bus DC comune:

Il sistema di bus comune è il modo più efficiente per far funzionare i motori a induzione quando più azionamenti si trovano in un'unica sede. Un bus DC comune che collega più VFD può recuperare in modo conveniente l'energia rigenerativa generata da un motore in rallentamento e darla a un motore che richiede energia aggiuntiva, anziché acquistare energia dalla rete. Se l'applicazione del sistema alimentato genera più energia di frenata di quella che i motori attivi possono consumare, i sistemi rigenerativi di linea possono restituire energia alla rete con un notevole risparmio.

Miglioramento del fattore di potenza

Un motore a induzione poco carico avrà una corrente di ingresso del VFD quasi nulla, poiché la grande corrente reattiva non fluisce dal lato dell'alimentazione. Poiché solo la componente reale della corrente viene restituita al lato dell'alimentazione, la corrente di ingresso del VFD rimane in fase con la tensione di alimentazione in tutte le condizioni di carico. Di conseguenza, il fattore di potenza sarà prossimo all'unità, con conseguenti minori spese per le utenze.

Esempio di risparmio sui costi

Supponiamo di avere un ventilatore con un motore da 60 cavalli (cv) che fornisce aria per 15 ore al giorno,

300 giorni all'anno, e il costo dell'energia è di 0,1177 € per kilowattora (ipotizzato).

Il costo operativo è calcolato con la seguente formula:

Costo = Potenza (kW) × Tempo di funzionamento × Costo/kWh

La tabella 1 mostra quindi il costo di funzionamento di un motore a diverse velocità e per diversi periodi di tempo con e senza VFD:

Tabella 1: costo di esercizio di un motore con VFD e senza VFD

Per calcolare il periodo di ammortamento dell'investimento in un inverter, possiamo utilizzare la seguente formula:

Quindi, se il nostro inverter da 60 cv costa 15.000 € (presunti), il periodo di ammortamento sarebbe di circa 17 mesi, cioè meno di due anni!

In conclusione, l'utilizzo di un VFD con un motore a induzione consente di risparmiare molta energia e il recupero è possibile grazie a diverse applicazioni e metodi. Sebbene in genere ci si concentri molto sui costi iniziali di installazione o di retrofit dei VFD e dei motori, è necessario esaminare ogni applicazione per ottenere il massimo risparmio sui costi operativi derivante dal risparmio energetico e dal recupero dell'energia. In molti casi, il risparmio energetico e i costi operativi sono superiori al costo di installazione.

Farnell ha stretto una partnership con fornitori che si occupano di azionamenti a frequenza variabile, vari portafogli di prodotti e soluzioni comecontrollo motore, starter, motori elettrici, accessori per la protezione del motore e azionamenti..