Gli azionamenti a velocità variabile migliorano l’efficienza delle macchine nelle applicazioni industriali

La tecnologia richiede oggi velocità diverse in molte applicazioni in cui si utilizzano motori elettrici. Gli azionamenti a velocità variabile (VSD) svolgono un ruolo importante nel migliorare l’efficienza delle applicazioni industriali dei motori, sia in fase di progettazione sia in officina. Il paragrafo 2 del documento informativo “Soluzioni intelligenti per l’efficienza energetica” tratta dell’efficienza energetica delle macchine con automatismo (cliccare qui per altri dettagli). Questo blog fornisce una panoramica completa delle applicazioni dei VSD per migliorare l'efficienza delle macchine e risparmiare energia dai motori elettrici nelle applicazioni industriali.

Un raddrizzatore, un circuito intermedio, un inverter e un’unità di controllo sono i componenti chiave di un’unità VSD, come illustrato nella figura 1 qui di seguito. Il raddrizzatore trasforma la corrente alternata (CA) in corrente continua (CC). Nel circuito intermedio, l’alimentazione in corrente continua raddrizzata viene condizionata tipicamente da una combinazione di induttori e condensatori. L’inverter converte la corrente continua raddrizzata e condizionata in una corrente alternata a frequenza e tensione variabili. Di solito, questo avviene generando un segnale ad alta frequenza modulato ad ampiezza di impulso con frequenza e tensione effettiva variabili. L’unità di controllo supervisiona tutto il funzionamento del VSD; monitora e controlla il raddrizzatore, il circuito intermedio e l’inverter per garantire che sia fornita la giusta uscita in risposta a un segnale di controllo esterno.

Fig 1: Schema di un azionamento a velocità variabile

Applicazione dei VSD con carichi diversi:

Il VSD verrà interfacciato con un trasduttore come un sensore di pressione o di portata e programmato per mantenere un valore determinato (valore di riferimento). Possono interfacciarsi con diversi trasduttori, implementare interblocchi e altre funzioni di controllo e collegarsi alle reti informatiche attuali, che forniscono dati operativi in tempo reale.

Il potenziale di risparmio energetico dei VSD si basa sulle caratteristiche del carico azionato. I carichi sono classificati in tre tipi: a coppia variabile, a coppia costante e a potenza costante. I carichi a coppia variabile sono prevalenti nei ventilatori e nelle pompe centrifughe e offrono il maggior potenziale di risparmio energetico. Questo perché la coppia varia con la velocità al quadrato (H1/H2 = (N1/N2)2) e la potenza varia con la velocità al cubo (P1/P2 = (N1/N2)3). E il flusso varia in base alla variazione della velocità (Q1/Q2 = (N1/N2)).

Come indicato nel grafico seguente, i carichi a coppia costante sono quelli in cui la coppia non varia con la velocità e la potenza assorbita è direttamente proporzionale alla velocità, il che implica che la potenza consumata è proporzionale al lavoro utile svolto.

Fig 2: (a) Profilo di carico a coppia costante. (b) Risparmio energetico da carichi diversi

Convogliatori, agitatori, frantoi, avvolgitori di superficie, pompe volumetriche e compressori d’aria sono tipiche applicazioni a coppia costante. Nei carichi a potenza costante, la potenza assorbita è costante mentre la coppia è inversamente proporzionale alla velocità.

Il controllo dei ventilatori a velocità variabile può essere utilizzato in un’ampia gamma di applicazioni, tra cui la maggior parte dei sistemi di ventilazione, i sistemi di estrazione dell'aria, il raffreddamento industriale e i sistemi di controllo dell’aria di combustione delle caldaie.

La curva della figura 3 indica che l’uso di un VSD per regolare la portata di una pompa, anziché di un comando convenzionale a farfalla, può comportare un notevole risparmio di energia e di costi. La linea tratteggiata rappresenta la potenza assorbita da un motore a velocità fissa, mentre la linea continua rappresenta la potenza assorbita da un azionamento a velocità variabile (VSD). L’area ombreggiata riflette la quantità di energia risparmiata utilizzando un VSD per una determinata portata.

Fig 3: Risparmio energetico della pompa - valvola a farfalla vs. riduzione di velocità

I VSD sono forniti in un’ampia gamma di dimensioni, da 0,18kW a diversi MW, e possono essere ottimizzati per adattarsi a particolari applicazioni. I VSD hanno un’efficienza tipica del 92-95%, con perdite del 5-8% dovute alla dissipazione di calore supplementare causata dalla commutazione elettrica ad alta frequenza e dalla potenza aggiuntiva richiesta dai componenti elettronici. Solitamente le perdite sono più che compensate dai risparmi ottenuti dal motore.

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