Technical Guide kannet.p65 - ABB Group

Guida tecnica N. 4

Guida agli azionamenti a velocità variabile

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Guida tecnica N. 4 - Guida agli azionamenti a velocità variabile

Indice 1

Introduzione .............................................................. 5 Generalità ................................................................... 5

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I processi e i loro requisiti ....................................... 6 Perché utilizzare azionamenti a velocità variabile? ...... 6 Segmenti industriali che utilizzano processi con azionamenti a velocità variabile .................................. 7 Le variabili nei sistemi di processo ............................. 8 Le macchine utensili vengono utilizzate per modificare le proprietà dei materiali .............................................. 9 Forma ben definita .................................................. 9 Forma indefinita ...................................................... 9 ...e per trasportare materiali ...................................... 10 Materiali solidi ....................................................... 10 Materiali liquidi ...................................................... 10 Materiali gassosi ................................................... 10

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Il cavallo di battaglia del settore industriale: il motore elettrico .................................................... I motori elettrici come azionamento di quasi tutte le macchine .............................................................. I motori convertono l'energia elettrica in energia meccanica ................................................................ I convertitori di frequenza per il controllo dell'induzione elettromagnetica .................................. Il rendimento del sistema di azionamento ................. Talvolta è necessaria l'inversione della rotazione o della coppia ............................................................ Carico, attrito e inerzia resistono alla rotazione ......... Il motore deve superare la coppia di carico ............... La coppia dell'azionamento e la coppia di carico sono uguali a velocità nominale ................................

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Necessità di una forma di controllo per i volumi variabili .................................................................... Flusso di materiale variabile e requisiti di ingresso/uscita ......................................................... Metodi di controllo più semplici ................................. Gli azionamenti a velocità variabile costituiscono il miglior metodo di controllo ...................................... Azionamenti a velocità variabile di tipo elettrico, idraulico e meccanico ...............................................

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Accoppiamento idraulico ....................................... Azionamento in c.c. .............................................. Azionamento in c.a. .............................................. Gli azionamenti a velocità variabile di tipo elettrico dominano il mercato .................................................. Costi di manutenzione ........................................... Produttività ........................................................... Risparmio energetico ............................................ Miglioramento della qualità .................................... Rapida crescita del mercato degli azionamenti in c.a. ... 5

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Azionamento in c.a.: il metodo di controllo più diffuso .......................... Le funzioni di base di un azionamento in c.a. ............ Le curve della capacità di carico motore con un azionamento in c.a. ................................................... Caratteristiche dell'azionamento in c.a. per un migliore controllo del processo .................................. Inversione ................................................................. Controllo di coppia .................................................... Eliminazione delle vibrazioni meccaniche ................. Autoalimentazione in mancanza di rete ..................... Funzione di stallo ...................................................... Compensazione di scorrimento ................................. Riavviamento in velocità ........................................... Caratteristiche ambientali .......................................... EMC ......................................................................... Vantaggi economici degli azionamenti in c.a. ...... Differenze tecniche tra altri sistemi e gli azionamenti in c.a. .................................................... Eliminazione dei componenti di regolazione meccanica .. I fattori che influenzano i costi .................................. Costi di investimento: componenti elettrici e meccanici ............................... Il motore ................................................................... L'azionamento in c.a. ................................................ Costi di installazione: chiusura mediante valvole a fronte degli azionamenti in c.a. .............................. Riduzione consumi e costi di manutenzione .............. Comparazione dei costi globali ..................................

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Indice analitico ........................................................ 40

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Capitolo 1 - Introduzione Generalità

La presente guida si aggiunge alla serie di guide tecniche elaborate da ABB e descrive diversi tipi di azionamento a velocità variabile (VSD, variable speed drives) e le modalità con cui essi vengono utilizzati nell'ambito dei processi industriali. E' stata riservata particolare attenzione agli azionamenti elettrici, in particolare agli azionamenti in c.a. La guida è stata strutturata in modo tale da costituire uno strumento pratico. La sua consultazione non richiede particolari conoscenze nel campo degli azionamenti, ma è comunque necessario disporre di nozioni tecniche di base per comprendere appieno la terminologia e le descrizioni contenute.

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Capitolo 2 - I processi e i loro requisiti

Perché utilizzare azionamenti a velocità variabile?

Al fine di comprendere le ragioni che determinano la necessità di un controllo a velocità variabile, occorre in primo luogo comprendere i requisiti dei vari processi. Tali processi possono essere suddivisi in due categorie principali; il trattamento dei materiali e il loro trasporto, a loro volta ulteriormente suddivisibili in numerosi sottogruppi. Entrambe le categorie sono tuttavia accomunate dalla necessità di regolazione dei processi. Tale funzione è svolta dagli azionamenti a velocità variabile. Nel presente capitolo si descrivono i principali processi industriali e non industriali che fanno uso di azionamenti a velocità variabile.

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I processi e i loro requisiti

A titolo di esempio! Settori industriali: Industria chimica Cellulosa, carta, stampa Prodotti alimentari, bevande Centrali elettriche Settore minerario Settore metallurgico Officine meccaniche Plastica Tessili

Segmenti industriali che utilizzano processi con azionamenti a velocità variabile

Non industriali: HVAC Trattamento acque

I processi industriali sono numerosi, e l'elenco nella tabella riporta solo alcuni dei comparti industriali i cui processi utilizzano azionamenti a velocità variabile. Sono accumunati solo dal fatto di richiedere un tipo di controllo con azionamenti a velocità variabile. Ad esempio, nelle applicazioni per condizionamento d'aria (nell'ambito dei sistemi HVAC), i requisiti di portata aria cambiano in base ai valori di umidità e temperatura ambiente. Per rispondere a tali requisiti è necessario regolare i ventilatori dell'aria di alimentazione e di ripresa. Tali interventi di regolazione possono essere attuati mediante azionamenti a velocità variabile. L'uso di ventilatori è diffuso anche nelle centrali elettriche e nel settore chimico. In entrambi i settori, i ventilatori devono essere regolati in base al processo principale. Nelle centrali elettriche, le principali variazioni di processo sono dovute alle oscillazioni del consumo di energia in diversi momenti dell'anno, del giorno o della settimana. Nello stesso modo, la necessità di azionamenti a velocità variabile varia in base al processo.

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I processi e i loro requisiti

Spreco enrgetico

Sistema di processo

Alimentazione

Trattamento materie prime mediante Materie prime

Potenza Tecnologia Tecnologia meccanica elettrormagnetica termica

Flusso energetico Flusso materiali

Le variabili nei sistemi di processo

Reazioni biochimiche

Tecnologia nucleare

Scarti di lavarazione

Prodotto o stadio finale materiale

Il presente diagramma mostra quali variabili influiscono sul sistema di processo. Tali variabili possono essere raggruppate in due categorie: energia e materiali. Nel sistema di processo stesso, i materiali o l'energia vengono trattati per mezzo di potenza meccanica, tecnologia elettromagnetica, termica, reazioni biochimiche o tecnologia nucleare. Ciascun processo, per avere luogo, richiede l'alimentazione di materie prime e di energia. Il prodotto finito o lo stadio finale del materiale trattato costituiscono il prodotto del processo, ma in ciascun processo si produce anche del materiale di scarto, sia sotto forma di energia che di materiali. Nei sistemi di processo si utilizzano azionamenti a velocità variabile per controllare la potenza meccanica dei vari macchinari utilizzati. E' inoltre possibile controllare il trattamento delle materie prime mediante azionamenti a velocità variabile. Un buon esempio è costituito dai forni di essiccazione, nei quali la temperatura dell'aria calda deve essere mantenuta costante. Il processo è controllato mediante il controllo della velocità dei ventilatori di aria calda attraverso azionamenti a velocità variabile.

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I processi e i loro requisiti

Trattamento che modifica le proprietà del materiale (consistenza geometria...)

Macchine operative

Apparati di processo Forma ben definita

Macchinari _ fresatrice _ macchina per formatura _ laminatoi _ macchine per lavorazione di carta, legno, tessili, macchine per stampa _ robot

Forma indefinita

Impianti _ miscelatori, agitatori _ centrifughe _ estrusori _ autoclavi _ mulini

Le macchine utensili vengono utilizzate per modificare le proprietà dei materiali...

Come già detto nel corso della presente guida, i processi di lavorazione meccanica si dividono in due categorie. La prima categoria consiste nel trattamento dei materiali realizzato mediante diversi tipi di apparati di processo atti a modificare le proprietà dei materiali variandone la forma.

Forma ben definita

Gli apparati di processo possono essere suddivisi in due gruppi in base alla forma risultante del materiale trattato. Tale forma può essere ben definita o indefinita. I materiali con una forma ben definita, ad esempio carta, metallo e legno, vengono lavorati con macchine utensili, tra cui, ad esempio, le macchine per la lavorazione della carta, i laminatoi e le linee di segatrici.

Forma indefinita

I materiali con una forma indefinita, come i prodotti alimentari, plastici, ecc. vengono lavorati con l'uso di impianti. Tali impianti comprendono, ad esempio, gli agitatori per margarine e diversi tipi di centrifughe ed estrusori.

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I processi e i loro requisiti

Trattamento che modifica le proprietà del materiale (consistenza, geometria..) Apparati di processo Forma ben definita

Macchinari fresatrice macchina per formatura laminatoi macchine per lavorazione di carta, legno, tessili, macchine per stampa robot

...e per trasportare materiali

Forma indefinita

Macchine operative

Trattamento energetico Controllo flusso materiale, pressione, posizione

Stato materiale Tipo materiale

Sistemi di trasporto, dosaggio, modifica pressione solido

liquido (miscelato)

Impianti

Sistemi di trasporto

Pompe

miscelatore, agitatori centrifughe

argani e gru trasportatori a rulli trasportatori a nastro elevatori escavatori

pompe volumetriche pompe meccaniche

estrusori autoclavi

gassoso (miscelato)

Ventilatori e compressori ventilatori soffiatori compressori condizionamento aria

mulini

La seconda categoria comprende macchine che trasportano il materiale in un luogo desiderato. Fanno parte di tale categoria gli impianti adibiti al trasporto, al dosaggio e al cambiamento di pressione. Questi macchinari possono essere suddivisi in tre sottogruppi, distinti in base allo stato del materiale trattato, solido, liquido o gassoso.

Materiali solidi

I materiali solidi, ad esempio container per spedizioni, metallo, legno, minerali e, ovviamente, persone, vengono trasportati mediante sistemi di movimentazione. Tali impianti comprendono gru, trasportatori ed elevatori.

Materiali liquidi

I materiali liquidi, come l'acqua, l'olio o i prodotti chimici, vengono trasportati mediante pompe.

Materiali gassosi

I materiali gassosi come l'aria vengono trasportati mediante ventilatori, compressori o soffiatori. Un'applicazione particolare di tali impianti consiste nel condizionamento aria. Nel diagramma sopra riportato sono presentate cinque diverse tipologie di impianti. Essi vengono utilizzati per dare forma o trasportare vari tipi di materiale, ma tutti potenzialmente possono essere dotati di azionamenti a velocità variabile.

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Capitolo 3 - Il cavallo di battaglia del settore industriale: il motore elettrico Tutte le macchine di cui abbiamo parlato nella presente guida sono normalmente azionate da motori elettrici. Il motore elettrico potrebbe essere definito a ragione il cavallo di battaglia dei processi industriali - in questo capitolo osserveremo più da vicino i motori elettrici - specialmente il motore in c.a. a gabbia di scoiattolo, che è il più utilizzato nell'ambito dei processi industriali. Prodotto o stato finale del materiale

Alimentazione: combustibile, pressione gas, rete

Trasmissione: Il motore: Controllo conversione conversione energetico: e/o dell'energia conversione regolazione fornita in e/o dell'energia energia regolazione meccanica meccanica dell'energia fornita (di rotazione) fornita possibili dislocazioni del _______ controllo a _ velocità ______ variabile ______ sistema ______ azionamento __________

Alimentazione materiale (e energia/ Lavorazione segnale) del materiale (e energia/ segnale) mediante energia meccanica

flusso energia flusso energia meccanica

I motori elettrici come azionamento di quasi tutte le macchine

Tutte le macchine comprendono quattro diversi componenti, come mostra il diagramma. Tali componenti consistono nel controllo dell'energia, nel motore, nella trasmissione e nella macchina di lavorazione (WM - Working Machine). L'insieme dei primi tre componenti costituisce il cosiddetto “azionamento”. Esso può trasformare un determinato tipo di energia, solitamente elettrica, in energia meccanica, che viene in seguito utilizzata dalla macchina adibita alla lavorazione. L'energia iniviata all'azionamento proviene dall'alimentazione. In ciascuno dei tre componenti dell'azionamento è possibile applicare un controllo a velocità variabile. Tale controllo può essere realizzato, ad esempio, utilizzando un convertitore di frequenza come componente di controllo dell'energia, un motore a due velocità come componente del motore e ingranaggi come componente a livello di trasmissione. I motori elettrici si suddividono in motori in c.a. e in c.c. I motori in c.a., in particolare i motori a gabbia di scoiattolo, sono i più largamente utilizzati nei processi industriali.

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Il cavallo di battaglia del settore industriale: il motore elettrico

Convertitore di frequenza

Raddriz- Circuito in c.c. zatore

I motori convertono l'energia elettrica in energia meccanica

Motore

Unità inverter

La capacità di un motore in ca di convertire l'energia elettrica in energia meccanica si basa sull'induzione elettromagnetica. La tensione negli avvolgimenti statorici forma il flusso magnetico e di corrente. La direzione del flusso può essere determinata mediante la regola della mano destra dalla corrente statorica. Modificando la direzione della tensione negli avvolgimenti statorici, è possibile modificare anche la direzione del flusso. Modificando la direzione della tensione negli avvolgimenti dei motori trifase nel giusto ordine, il flusso magnetico del motore inizia a rotare. Il rotore del motore segue successivamente questo flusso con un certo scorrimento. Si tratta del principio di base utilizzato per i controllo dei motori in c.a. E' possibile realizzare questo tipo di controllo utilizzando un convertitore di frequenza. Come suggerisce il nome stesso, un convertitore di frequenza modifica la frequenza della tensione e della corrente alternata. I convertitori di frequenza si compongono di tre parti. La corrente trifase da 50Hz è alimentata al raddrizzatore, che la converte in corrente continua. La tensione in c.c. è alimentata nel circuito del bus in c.c., che filtra la tensione pulsante. In seguito l'inverter collega ciascuna fase del motore al bus in c.c. positivo o negativo in base a un determinato ordine. Per ricevere la direzione di flusso mostrata nel diagramma, è necessario chiudere gli interruttori V1, V4 e V5. Perché il flusso ruoti in senso antiorario, è necessario chiudere l'interruttore V6, lasciando aperto l'interruttore V5. Se non si apre l'interruttore V5, si verifica un corto circuito. Il flusso ha compiuto un giro di 60° in senso antiorario.

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Il cavallo di battaglia del settore industriale: il motore elettrico

I convertitori di frequenza per il controllo dell'induzione elettromagnetica

L'inverter presenta otto diverse posizioni di commutazione. In due posizioni la tensione è uguale zero, ad esempio quando tutte le fasi sono collegate allo stesso bus in c.c., negativo o positivo. Pertanto, nelle sei restanti posizioni di commutazione gli avvolgimenti del motore sono sotto tensione, e tale tensione determina un flusso magnetico. Il diagramma mostra queste sei posizioni di commutazione con le relative direzioni del flusso, generato dalla tensione presente negli avvolgimenti in ciascun caso. La tensione genera inoltre corrente negli avvolgimenti, le cui direzioni sono contrassegnate da frecce in ciascuna fase. Il controllo nella pratica non è così semplice come protrebbe apparire. Il flusso magnetico genera correnti a livello del rotore. Tali correnti del rotore complicano la situazione. Interferenze esterne, ad esempio a livello di temperatura o di cambiamenti di carico, possono inoltre determinare problemi a livello di controllo. Tuttavia, la tecnologia e le competenze attuali consentono di gestire le interferenze in modo efficace. Gli azionamenti elettrici a velocità variabile presentano anche molti vantaggi supplementari, ad esempio in termini di risparmio energetico, in quanto il motore assorbe solo la quantità di energia elettrica realmente richiesta. Essi consentono inoltre un controllo più efficace rispetto ai metodi tradizionali poiché gli azionamenti elettrici a velocità variabile consentono anche la possibilità di regolazione in continuo.

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Il cavallo di battaglia del settore industriale: il motore elettrico

Perdite azionamento (di natura termica)

Corrente d'ingresso (elettrica) Potenza di uscita Potenza d'ingresso

Perdita motore (di natura termica)

Il rendimento del sistema di azionamento

Potenza di uscita (meccanica)

Il rendimento globale di azionamento dipende dalle perdite a livello del motore e dei controlli. Entrambi i tipi di perdita sono di natura termica, e pertanto si manifestano sotto forma di calore. La potenza d'ingresso alimentata al sistema di azionamento è di tipo elettrico, mentre la potenza di uscita è di tipo meccanico. Ecco perché il calcolo del coefficiente di rendimento (• richiede nozioni di ingegneria meccanica ed elettrica. La potenza elettrica d'ingresso Pin dipende dalla tensione (U), dalla corrente (I) e dal fattore di potenza (cos•). Il fattore di potenza esprime la ripartizione della potenza elettrica totale in potenza attiva e in potenza reattiva. La potenza attiva è necessaria per generare la potenza meccanica richiesta mentre la potenza reattiva è necessaria per produrre la magnetizzazione a livello del motore. La potenza meccanica di uscita Pout dipende dalla coppia richiesta (T) e dalla velocità di rotazione (n). La potenza richiesta è direttamente proporzionale alla velocità e alla coppia richieste e questo determina la quantità di potenza assorbita dall'alimentazione elettrica. Come già detto in precedenza, i convertitori di frequenza regolano la tensione alimentata al motore, e in tal modo controllano direttamente la potenza utilizzata sia a livello del motore che a livello del processo controllato. La commutazione elettrica mediante transistori è molto efficiente, pertanto il rendimento del convertitore di frequenza è molto elevato, da 0,97 a 0,99. Il rendimento del motore si situa normalmente tra 0,82 e 0,97, in base alle sue dimensioni e alla sua velocità nominale. Si può pertanto affermare che,se il controllo è effettuato da un convertitore di frequenza, il rendimento totale del sistema di azionamento è sempre superiore a 0,8 .

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Il cavallo di battaglia del settore industriale: il motore elettrico

Talvolta è necessaria l'inversione della rotazione o della coppia

Decelerazione

Accelerazione

Accelerazione

Decelerazione

In taluni casi è necessario azionare il motore in senso di rotazione inverso. Inoltre, possono variare anche i requisiti di direzione della coppia. La combinazione di questi fattori costituisce il cosiddetto “azionamento a quattro quadranti”. Il nome deriva dai quattro quadranti distinti (da uno a quattro) mostrati nel diagramma.

I quadrante: Nel primo quadrante il motore ruota in senso orario. Poiché la coppia ha la stessa direzione della velocità, l'azionamento è in accelerazione. II quadrante: Nel secondo quadrante il motore continua a ruotare in senso orario, ma la coppia è in direzione opposta, e pertanto l'azionamento decelera. III e IV quadrante: Nel terzo e nel quarto quadrante, il motore ruota in senso antiorario e l'azionamento accelera o decelera, in base alla direzione della coppia. Con un convertitore di frequenza, è possibile modificare la direzione della coppia indipendentemente dalla direzione di rotazione. Per ottenere un azionamento a quattro quadranti efficiente, è necessario introdurre qualche dispositivo di frenatura. Questa modalità di controllo della coppia si rivela particolarmente necessaria nelle applicazioni per gru, laddove la direzione della rotazione può cambiare, fermo restando la direzione della coppia.

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Il cavallo di battaglia del settore industriale: il motore elettrico

La coppia del motore Tm deve essere maggiore rispetto alla coppia di carico TI per consentire il sollevamento della cassa.

Carico, attrito e inerzia resistono alla rotazione

Il motore deve produrre la coppia richiesta per superare la coppia di carico. La coppia di carico comprende l'attrito, l'inerzia delle parti in movimento e il carico stesso, che dipende dal tipo di applicazione. Nell'esempio illustrato, per riuscire a sollevare la cassa, la coppia del motore deve essere superiore alla coppia del carico, che dipende dalla massa della cassa. I fattori di carico cambiano in base all'applicazione. Ad esempio, in un frantumatore, la coppia di carico dipende non solo da attrito e inerzia, ma anche dalla durezza del materiale da frantumare. Nei ventilatori e nei soffiatori, i cambiamenti nella pressione dell'aria influiscono sulla coppia di carico, ecc.

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Il cavallo di battaglia del settore industriale: il motore elettrico

Il motore deve superare la coppia di carico

In ogni caso, prima di selezionare un motore idoneo all'applicazione è necessario conoscere la coppia di carico e la velocità richiesta. Solo con questi due elementi è possibile scegliere un motore idoneo all'applicazione. Se il motore è sottodimensionato, non risponderà a requisiti e potranno presentarsi gravi problemi.Nelle applicazioni per gru, ad esempio, un motore troppo piccolo non sarà in grado di sollevare il carico richiesto con sufficiente velocità e all'altezza desiderata. Potrebbe persino lasciare cadere il carico come mostra il diagramma, con possibili conseguenze disastrose per il personale addetto al porto o al cantiere dove la gru è utilizzata. Per calcolare la coppia nominale del motore, utilizzare la formula sotto riportata:

T[Nm]=9550 x

P [kW] n [1/min]

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Il cavallo di battaglia del settore industriale: il motore elettrico

La coppia dell'azionamento e la coppia di carico sono uguali a velocità nominale

La curva di velocità/coppia di un motore è unica e deve essere calcolata separatamente per ciascun tipo di motore. Una tipica curva coppia/velocità è quella mostrata nel grafico come Tm. Come si può notare, la coppia di carico massima si raggiunge appena al di sotto della velocità nominale. Di solito la coppia di carico Tl aumenta con l'aumento della velocità. In base all'applicazione, la coppia può essere di tipo lineare o quadratico. Il motore accelera automaticamente fino a raggiungere la corrispondenza tra coppia di carico e coppia motore. Questo punto è mostrato nel grafico come intersezione tra Tm e Tl. La coppia effettiva (Tact) è riportata sull'asse delle ordinate e la velocità effettiva (nact) sull'asse delle ascisse. Questi principi sono alla base del funzionamento di un tipico motore a gabbia di scoiattolo. L'utilizzo di un convertitore di frequenza consente di ottenere un controllo ottimale delle prestazioni sia per il motore che per l'azionamento nel suo complesso. Se ne parlerà più diffusamente all'interno della guida.

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Capitolo 4 - Necessità di una forma di controllo per i volumi variabili La maggior parte dei processi presenta almeno una variabile. Tale variabile implica la necessità di una regolazione del processo. Ecco perché è necessario provvedere a una forma di controllo per le variabili di processo e dei volumi di materiale. Il presente capitolo tratta dei processi e delle loro variabili. Esamina inoltre i diversi metodi di controllo. Uscita Ingresso

Casi tipici

Processo Interferenza Interferenza

Applicazione

ingresso

Pompa sommersa

livello acqua

Pompa

livello acqua

Ventilatore

Fabbisogno calore

Linea di segatrici

Diametro tronco Durezza legno

Flusso acqua Pressione atmosferica

Coclea

Flusso di materiale variabile e requisiti di ingresso/uscita

Uscita

Volume materiale

Alimentatore

Durezza materiale

Smerigliatrice

Usura della mola

Carico

I processi possono implicare numerosi parametri, ma i più comuni sono costituiti da ingresso, uscita e interferenza. Tali parametri possono essere costanti, oppure modificabili in base a uno schema preimpostato. Come discusso nel primo capitolo, in un processo sono sempre presenti ingressi e uscite e, quasi sempre, un'interferenza. In taluni processi non sono presenti interferenze e l'ingresso è costante. Per questo tipo di processo il controllo a velocità variabile non è necessario. Tuttavia, nel caso in cui i parametri di uscita debbano essere modificati, ovvero in presenza di un ingresso variabile o di un'interferenza, il controllo a velocità variabile potrebbe costituire la soluzione idonea per rispondere ai requisiti di processo. La tabella sopra riportata elenca alcuni processi che richiedono un controllo a velocità variabile, evidenziando le ragioni che determinano la necessità di controllo, a livello di ingresso, interferenza o uscita.

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Necessità di una forma di controllo per i volumi variabili

Esempio di pompa:

Controllo chiusura

Controllo bypass

Controllo on/off

Semplicità di configurazione Difficoltà di raggiungere la capacità ottimale Un aumento della capacità comporta la riconfigurazione del sistema Controllo mediante chiusura, ricircolo o avvio e arresto Rischio di danni all'avviamento Costi di esercizio elevati

Metodi di controllo più semplici

Esistono numerosi metodi di controllo più semplici, come il controllo chiusura o il controllo bypass. La configurazione di tali sistemi è di solito molto semplice e, a un primo sguardo, essi paiono costituire un investimento conveniente. Tuttavia, tali sistemi presentano numerosi inconvenienti. Ad esempio, con sistemi di questo tipo è molto difficile raggiungere la capacità di processo ottimale, la sola in grado di assicurare una qualità ottimale del processo. Per aumentare la capacità produttiva è solitamente necessario procedere alla riconfigurazione dell'intero processo, e per di più ogni avviamento diretto in linea comporta il rischio di danni a livello elettrico e/o meccanico. I metodi di controllo più semplici sono anche caratterizzati da un più elevato consumo energetico e pertanto, oltre a un costo di esercizio più elevato rispetto agli azionamenti a velocità variabile, hanno anche un maggiore impatto ambientale, ad esempio in termini di emissioni di CO 2 degli impianti eneregetici. In conclusione, il costo totale dell'investimento per i metodi di controllo più semplici, tenendo conto dell'intero ciclo di vita, risulta molto più elevato rispetto a quello degli azionamenti a velocità variabile.

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Necessità di una forma di controllo per i volumi variabili

Come comportartsi in una situazione di questo tipo? 1. Mantenere il piede sull'acceleratore e controllare la velocità agendo sui freni. 2. Passare a una marcia inferiore riducendo la velocità o alzando il piede dall'accelerazione.

Gli azionamenti a velocità variabile costituiscono il miglior metodo di controllo

Gli azionamenti a velocità variabile costituiscono un metodo di controllo ottimale per quasi tutti i sistemi. Immaginate ad esempio di essere alla guida di una vettura. Se vi trovate su una strada a scorrimento veloce e giungete in prossimità di un'area abitata, dovete ridurre la velocità, per evitare di mettere a repentaglio l'incolumità di altre persone. Il modo migliore per farlo consiste nel ridurre la velocità di rotazione del motore togliendo il piede dall'acceleratore e, se necessario, passando a una marcia inferiore. Un'altra possibilità sarebbe quella di mantenere la stessa marcia, senza togliere il piede dall'acceleratore, e di ridurre la velocità agendo sui freni. Quest'ultimo metodo provoca l'usura di motore e freni, oltre a consumare molto combustibile e a ridurre il controllo del veicolo. Inoltre, questo sistema non consente di raggiungere l'obbiettivo di ridurre la velocità senza mettere in pericolo la vita del conducente e di altre persone.

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Necessità di una forma di controllo per i volumi variabili

Controllo a velocità variabile di tipo meccanico

Accoppiamento idraulico

Azionamento in c.c.

Convertirore di frequenza

Sala elettrica

Azionamenti a velocità variabile di tipo elettrico, idraulico e meccanico

Area di processo

L'illustrazione presenta quattro tra gli azionamenti a velocità variabile più diffusi nel settore industriale. Di solito il controllo a velocità variabile di tipo meccanico fa uso di azionamenti a cinghia ed è regolato mediante il movimento di pulegge coniche, sia manualmente che per mezzo di motori di posizionamento.

Accoppiamento idraulico

L'accoppiamento idraulico utilizza il principio della turbina. Modificando il volume dell'olio nell'accoppiamento, si modifica la differenza di velocità tra l'albero di azionamento e l'albero condotto. La quantità di olio è controllata mediante pompe e valvole.

Azionamento in c.c.

Negli azionamenti in c.c., un convertitore in c.c. cambia la tensione di alimentazione in ingresso al motore in c.c. A livello del motore, un inverter meccanico, un commutatore, commuta la corrente continua in corrente alternata.

Azionamento in c.a.

Nei convertitori di frequenza, o azionamenti in c.a., si utilizza un motore standard a gabbia di scoiattolo, in modo da evitare la necessità di un inverter meccanico. La velocità del motore è regolata da un convertitore di frequenza che modifica la frequenza di tensione del motore, come già illustrato nella presente guida. Il convertitore di frequenza è controllato mediante segnali elettrici. Il diagramma mostra l'ubicazione dei dispositivi di controllo per ciascun tipo di azionamento a velocità variabile. Negli azionamenti a velocità variabile di tipo meccanico e idraulico, i dispositivi di controllo sono situati tra il motore e la macchina, e ciò rende molto complesse le operazioni di manutenzione. Negli azionamenti a velocità variabile di tipo elettrico, tutti i sistemi di controllo sono situati in una sala elettrica, e solo il motore di azionamento è situato nell'area di processo. Questo è solo uno dei vantaggi degli azionamenti a velocità variabile di tipo elettrico. Gli altri vantaggi sono illustrati nella pagina seguente.

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Necessità di una forma di controllo per i volumi variabili

Azionamenti a velocità variabile di tipo elettrico

Mercato azionamenti a velocità variabile Anno 2000: Europa (stima)

Velocità

Az. a velocità Dimens. ___________ ______ _______ mercato Quota _____ di __ variabile _______ (milioni di $) mercato (%)

2. Aumento di produzione Velocidad óptima

4. Qualità ottimale

Az. in c.a. Az. in c.c. Meccanici

3. Risparmio energetico

Idraulici

Totale 1. Risparmio di manutenzione

Tempo

Gli azionamenti a velocità variabile di tipo elettrico dominano il mercato

Ecco i quattro principali argomenti a favore dell'utilizzo di azionamenti a velocità variabile di tipo elettrico, presentati con una stima delle quote di mercato degli azionamenti a velocità variabile in Europa nell'anno 2000. I quattro vantaggi principali derivanti dall'utilizzo di azionamenti a velocità variabile di tipo elettrico sono evidenziati nei punti di inversione della curva della velocità.

Costi di manutenzione

L'avviamento diretto in linea sollecita il motore e l'impianto elettrico. Gli azionamenti a velocità variabile di tipo elettrico consentono l'avviamento senza soluzione di continuità con un effetto diretto sui costi di manutenzione.

Produttività

Gli impianti di processo sono normalmente progettati in previsione di possibili aumenti della produttività. La modifica di un impianto a velocità costante per consentire un più elevato volume di produzione risulta onerosa sia in termini economici che di tempo. Gli azionamenti in c.a. consentono di aumentare la velocità del 5 - 20% senza particolari problemi, aumentando di conseguenza la produzione senza ulteriori investimenti.

Risparmio energetico

In numerosi processi i volumi di produzione sono soggetti a modifiche. La modifica dei volumi di produzione mediante mezzi meccanici spesso risulta molto inefficiente. Grazie agli azionamenti a velocità variabile di tipo elettrico, è possibile cambiare il volume di produzione modificando la velocità del motore. Ciò consente un notevole risparmio energetico, in particolare nelle applicazioni per pompe e ventilatori, poiché la potenza dell'albero è proporzionale al cubo della portata.

Miglioramento della qualità

La precisione del controllo della velocità raggiungibile grazie agli azionamenti elettrici a velocità variabile si traduce nell'ottimizzazione dei processi. A tale ottimizzazione fa riscontro una qualità ottimale del prodotto finale, con maggiori vantaggi per il cliente. In ragione di questi vantaggi, gli azionamenti elettrici a velocità variabile hanno una posizione dominante sul mercato, come mostra la tabella sopra riportata. Gli azionamenti in c.c. e in c.a. coprono insieme oltre il 75% - e gli azionamenti in c.a. oltre il 50% - del mercato totale degli azionamenti a velocità variabile in Europa nell'anno 2000.

Guida tecnica N. 4 - Guida agli azionamenti a velocità variabile

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Necessità di una forma di controllo per i volumi variabili

Mercato globale 1995: $ 3,5 miliardi Tasso di crescita annuo 7%

Fonte Frost & Sullivan & ARC - 1993

Rapida crescita del mercato degli azionamenti in c.a.

Il diagramma sopra riportato mostra una proiezione dello sviluppo del mercato degli azionamenti elettrici a velocità variabile fino all'anno 2000. Come si può notare, il mercato degli azionamenti in c.a. cresce a un tasso annuo vicino al 10%, che rappresenta la crescita globale del mercato degli azionamenti elettrici a velocità variabile. La quota di mercato degli azionamenti in c.c. è in calo, mentre il mercato totale in c.c. rimane pressoché costante. Tale progresso è attribuibile allo sviluppo nella tecnologia degli azionamenti in c.a. Come illustrato in precedenza nella presente guida, gli azionamenti in c.a. presentano numerosi vantaggi rispetto ad altri metodi di controllo di processo. La differenza tra un motore in c.c. e un motore in c.a. consiste nel fatto che il primo è dotato di commutatore meccanico, che utilizza spazzole al carbonio. Le spazzole richiedono regolari interventi di manutenzione e lo stesso commutatore complica la struttura del motore e consuma energia. Queste sono le ragioni principali per cui la quota di mercato degli azionamenti in c.a. è in crescita a fronte degli azionamenti in c.c.

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Capitolo 5 - Azionamento in c.a.: il metodo di controllo più diffuso Considerando tutto quanto presentato fino a questo punto, possiamo affermare con certezza che l'azionamento in c.a. costituisce il metodo di controllo più diffuso. Nel seguente capitolo osserveremo più nel dettaglio le diverse caratteristiche di questo tipo di azionamento, e i livelli di prestazioni che è in grado di offrire. Alimentazione

Interfaccia utente Interfaccia di processo Control del motor

Motore

Le funzioni di base di un azionamento in c.a.

Processo

Nel presente diagramma sono illustrate le funzioni di base di un azionamento in c.a. Nel controllo motore di un azionamento in c.a. sono presenti quattro componenti distinti. Tali componenti sono: l'interfaccia utente, il motore, l'alimentazione elettrica e l'interfaccia di processo. L'alimentazione elettrica trasmette l'elettricità richiesta all'azionamento; un criterio di selezione dell'azionamento consiste nella tensione di alimentazione e nella sua frequenza. L'azionamento in c.a. converte la frequenza e la tensione e alimenta il motore. Tale processo di conversione è controllato mediante segnali provenienti dal processo o dall'utente attraverso le relative interfacce. L'interfaccia utente consente di osservare l'azionamento in c.a. e di ottenere diverse informazioni relative al processo attraverso l'azionamento. Ciò facilita l'integrazione dell'azionamento stesso con altri dispositivi di controllo di processo e con i sistemi di controllo di processo con funzioni di esclusione.

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Azionamento in c.a.: il metodo di controllo più diffuso

Curva 3

Curva 2

Carico Curva 1 Curve 2 e 3 Carico

Le curve della capacità di carico motore con un azionamento in c.a.

Curva 1

Se il motore è azionato senza convertitore di frequenza, le curve relative alla sua capacità di carico non possono essere modificate. Ne risulta una coppia ben precisa a una determinata velocità, e la coppia massima non può essere superata. Se l'azionamento è dotato di convertitore di frequenza, sono possibili varie opzioni di carico. La curva standard, denominata Curva 1 nel diagramma, può essere usata con continuità. Le altre curve possono essere utilizzate solo per periodi di tempo limitati, in quanto il sistema di raffreddamento del motore non è stato progettato per questo tipo di uso intensivo. Questi livelli più elevati di capacità di carico risultano necessari, ad esempio, nella fase di avviamento. In alcune applicazioni, la coppia richiesta in questa fase è quasi doppia rispetto alla coppia normale. Tali valori sono ottenibili se si ricorre a un convertitore di frequenza poiché consente di dimensionare il motore in base al suo utilizzo normale, con una riduzione dei costi di investimento. Per poter sfruttare tali caratteristiche, è molto importante che il carico, l'azionamento in c.a. e il motore siano compatibili. In caso contrario il motore o il convertitore possono subire danni dovuti al surriscaldamento.

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Azionamento in c.a.: il metodo di controllo più diffuso

Caratteristiche principali:

• • • • • • • • • • •

Caratteristiche dell'azionamento in c.a. per un migliore controllo del processo

ingressi e uscite funzione inversione rampa di accelerazione e decelerazione impostazioni V/Hz della coppia variabile extra-coppia eliminazione delle vibrazioni meccaniche limiti di carico autoalimentazione in mancanza di rete funzione di stallo compensazione di scorrimento riavviamento in velocità

Gli azionamenti in c.a. presentano anche altre caratteristiche e funzionalità intrinseche che possono risultare necessarie per migliorare il controllo di processo. Il diagramma fornisce un elenco di tali caratteristiche. Per quanto riguarda gli ingressi e le uscite, ad esempio, è possibile inviare all'azionamento varie informazioni di processo, per consentire un controllo idoneo del motore. In alternativa, è possibile limitare il carico allo scopo di prevenire i guasti e di proteggere la macchina e l'intero sistema di azionamento. Le caratteristiche elencate vengono presentate in modo più approfondito nelle prossime sezioni.

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Inversione con rampe di accelerazione e decelerazione

Impostazioni controllo di coppia

n

tempo di decelerazione tempo di accelerazione

extra coppia impostazioni U/f coppia ariabile eliminaz. vibrazioni meccaniche

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Inversione

L'inversione della direzione di rotazione del motore viene attuata facilmente con un azionamento in c.a. Grazie ai convertitori di frequenza ABB ciò può essere realizzato con la semplice pressione di un tasto. E' inoltre possibile impostare diversi tempi per le rampe di accelerazione e decelerazione. La forma della rampa può anche essere modificata in base alle esigenze dell'utente. Nel diagramma (in alto a sinistra) viene illustrata una rampa a S. Un'altra possibilità potrebbe essere costituita da una rampa lineare.

Controllo di coppia

Il controllo di coppia risulta relativamente semplice con gli azionamenti in c.a. L'extra coppia, presentata in precedenza, è necessaria quando la coppia richiesta all'avviamento è molto elevata. Le impostazioni U/f con coppia variabile consentono di raggiungere la coppia massima a una velocità di rotazione inferiore alla nominale.

Eliminazione delle vibrazioni meccaniche

E' possibile eliminare le vibrazioni meccaniche bypassando le velocità critiche. Ciò significa che, quando un motore è in accelerazione e si avvicina alla velocità critica, l'azionamento non consente che la velocità effettiva del motore segua la velocità di riferimento. Una volta sorpassato il punto critico, il motore torna molto velocemente alla curva regolare superando così la velocità critica.

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Autoalimentazione in mancanza di rete

Funzione di stallo rete

Coppia

Regione di stallo

cc

Tensione circuito intermedio (U c.c. ) Frequenza in uscita (f)

Frequenza di stallo

Coppia motore (T m )

Autoalimentazione in mancanza di rete

La funzione di autoalimentazione in mancanza di rete viene utilizzata in caso di interruzioni della tensione di alimentazione. In tali situazioni, l'azionamento in c.a. continua a funzionare sfruttando l'energia cinetica derivante dalla rotazione del motore. L'azionamento risulta completamente operativo fino a quando il motore è in rotazione e genera energia all'azionamento.

Funzione di stallo

La funzione di stallo degli azionamenti in c.a. consente di proteggere i motori in caso di stallo. E' possibile regolare i limiti di controllo e determinare le reazioni dell'azionamento a fronte di una condizione di stallo del motore. La protezione viene attivata quando si verificano contemporaneamente le tre condizioni seguenti. 1. La frequenza dell'azionamento è inferiore alla frequenza di stallo preimpostata. 2. La coppia del motore è superiore al valore massimo ammissibile, calcolato dal software dell'azionamento. Tale valore calcolato cambia continuamente in base a vari fattori, ad esempio la temperatura del motore. In presenza delle condizioni 1 e 2, il motore si trova nella regione di stallo contrassegnata nel diagramma. 3. L'ultima condizione prevede che il motore si trovi nella regione di stallo per un periodo più lungo di quello impostato dall'utente.

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Azionamento in c.a.: il metodo di controllo più diffuso

Compensazione di scorrimento

Riavviamento in velocità

Coppia

scorrimento

velocità del motore (n) frequenza del convertitore (f)

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Compensazione di scorrimento

La velocità del motore decresce all'aumentare della coppia di carico del motore, come evidenzia il diagramma (in alto a sinistra). Al fine di compensare questo scorrimento, il convertitore di frequenza consente di modificare la curva di coppia/velocità in modo tale che l'aumento della coppia possa essere raggiunto alla stessa velocità precedente.

Riavviamento in velocità

La funzione di riavviamento in velocità viene utilizzata quando un motore è collegato a un volano o a un carico di inerzia elevato. Se il motore e il volano sono in rotazione e il motore è in tensione, il convertitore di frequenza alimenta il motore alla stessa tensione e frequenza. In una situazione di questo tipo, il collegamento di potenza a un motore privo di azionamento in c.a. con funzioni di riavviamento in velocità potrebbe determinare degli inconvenienti.

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Azionamento in c.a.: il metodo di controllo più diffuso

Immunità EMC

Armadio

Motore Emissioni EMC

Immunità EMC

Emissioni EMC

Alimentazione

Caratteristiche ambientali

Tutti gli azionamenti sono sottoposti a diverse sollecitazioni ambientali, come l'umidità o i disturbi elettrici. Il motore a gabbia di scoiattolo è molto compatto e può essere utilizzato in condizioni ostili. Il grado di protezione IP 54 ne garantisce il funzionamento in ambienti polverosi, e la capacità di sopportare getti d'acqua da tutte le direzioni. Il convertitore di frequenza ha normalmente un grado di protezione IP 21. Ciò significa che non è possibile toccare le parti in tensione e che la presenza di acqua colante dall'alto non provoca danni. Se è necessario assicurare un grado di protezione più elevato, è possibile ottenerlo, ad esempio, installando l'azionamento all'interno di un armadio con il grado di protezione idoneo. In questi casi è fondamentale assicurarsi che la temperatura all'interno dell'armadio non superi i limiti ammissibili.

EMC

Un'altra caratteristica ambientale importante è la compatibilità elettromagnetica (EMC). E' molto importante assicurare la conformità dei sistemi di azionamento alle direttive EMC dell'Unione Europea. I sistemi di azionamento compatibili sono in grado di sopportare disturbi condotti e radiati, e non emettono disturbi condotti o radiati a danno dell'alimentazione elettrica o dell'ambiente circostante. Per ulteriori informazioni sulle direttive EMC per quanto riguarda gli azionamenti, fare riferimento alla Guida Tecnica ABB N. 2, la guida EMC.

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Capitolo 6 - Vantaggi economici degli azionamenti in c.a. Oltre ai vantaggi di natura tecnica, gli azionamenti in c.a. risultano anche vantaggiosi in termini di costi. Nel presente capitolo vengono passati in rrassegna tali vantaggi, con una ripartizione tra costi di investimento, di installazione e di esercizio.

Motori in c.a. con e senza azionamento in c.a. Con azionamento in c.a. 3%

Senza azionamento in c.a. 97%

Attualmente vengono commercializzati ancora moltissimi motori privi di azionamenti in c.a. a velocità variabile. La torta del diagramma mostra le vendite di motori al di sotto dei 2,2 kW dotati di convertitori di frequenza, a fronte dei motori senza convertitori. Solo il 3% dei motori in questa gamma di potenza venduti ogni anno sono dotati di convertitore di frequenza, mentre il 97% dei motori venduti è privo di azionamento in c.a. Sono dati stupefacenti, considerando quanto abbiamo potuto vedere nella presente guida. E lo sono ancora di più a un attento studio dei costi relativi agli azionamenti in c.a. a fronte dei metodi di controllo di tipo tradizionale. E' pertanto opportuno procedere innanzitutto a questo tipo di valuzazione.

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Vantaggi economici degli azionamenti in c.a.

Differenze tecniche tra altri sistemi e gli azionamenti in c.a.

La tecnologia degli azionamenti in c.a. è completamente diversa da quella di altri metodi di controllo più semplici. Tale differenza può essere comparata, ad esempio, a quella che intercorre tra un dirigibile e un moderno aeroplano. Un altro esempio calzante può essere quello dello sviluppo tecnologico dai floppy disk ai CD-ROM. Il floppy disk costituisce un supporto di memorizzazione delle informazioni più semplice, ma il suo spazio di memoria è minimo rispetto a quello offerto dal CD-ROM. I vantaggi di entrambe queste innovazioni sono in genere ben noti. Allo stesso modo, la tecnlogia degli azionamenti in c.a. si basa su una tecnologia radicalmente diversa dai metodi di controllo precedenti. All'interno di questa guida abbiamo presentato i vantaggi degli azionamenti in c.a. a fronte di metodi di controllo più semplici.

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Vantaggi economici degli azionamenti in c.a.

Metodi tradizionali D.O.L.+ controllo chiusura

Controllo azionamento in c.a. Convertitore di frequenza

D.O.L.+ on/off

Elettronica

Serbatoio

Meccanica

Eliminazione dei componenti di regolazione meccanica

Al fine di comparare i costi in modo corretto, è necessario studiare la configurazione di diversi metodi di controllo. In questo caso abbiamo utilizzato l'esempio di una pompa. I metodi tradizionali comprendono sempre elementi meccanici ed elementi elettrici. I sistemi di controllo chiusura richiedono la presenza di fusibili, contattori e reattori per quanto riguarda la parte meccanica, oltre che di valvole per quella elettrica. Nei sistemi di controllo on/off, sono necessari gli stessi componenti elettrici e un serbatoio a pressione per quanto concerne i componenti meccanici. L'azionamento in c.a. costituisce una soluzione innovativa. Non richiede alcun componente meccanico poiché il controllo avviene solo a livello elettrico. Un altro vantaggio, sempre in termini di costi, è costituito dal fatto che gli azionamenti in c.a. consentono di utilizzare un motore trifase regolare, molto più economico rispetto ai motori monofase utilizzati con altri metodi di controllo. Per potenze inferiori ai 2,2 kW, consentono inoltre di continuare a utilizzare un'alimentazione monofase da 220 V.

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Vantaggi economici degli azionamenti in c.a.

Metodi convenzionali: Azionamento in c.a.: - componenti elettrici - controllo integrato e meccanici - numerosi componenti - un solo componente elettrici elettrico - necessità di interventi regolari - assenza di componenti di manut. comp. meccanici

-

elevato consumo energetico

meccanici, nessuna usura

- risparmio energetico

del controllo meccanico

I fattori che influenzano i costi

Questo elenco mette a confronto le caratteristiche dei metodi di controllo convenzionali con quelle dell'azionamento in c.a., e il loro impatto sui costi. Nei metodi tradizionali sono presenti componenti elettrici e meccanici, che normalmente vanno acquistati separatamente. Solitamente i costi risultano più elevati che se tutti i componenti potessere essere acquistati in una volta. Per di più, i componenti meccanici sono soggetti a maggiore usura. Questo fatto influisce direttamente sui costi di manutenzione e, nel lungo periodo, la manutenzione costituisce un elemento di spesa considerevole. Nei metodi tradizionali sono presenti anche numerosi componenti elettrici. I costi di installazione sono quasi raddoppiati quando sono presenti diversi tipi di componenti anziché uno solo. Infine, è importante ricordare che il controllo di tipo meccanico consuma molta energia, mentre gli azionamenti in c.a. consentono un risparmio energetico. Tale fatto non solo contribuisce alla riduzione dei costi, ma anche a minimizzare l'impatto ambientale riducendo le emissioni degli impianti energetici.

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Vantaggi economici degli azionamenti in c.a.

Comparazione prezzi pompe

USD

Meccanica Elettronica Motore

Contr. chiusura (ind)

Costi di investimento: componenti elettrici e meccanici

Contr. chiusura (dom)

On/Off

Azionamento in c.a.

In questo grafico viene presentata la composizione dell'investimento e il prezzo globale per ciascun metodo di regolazione della pompa. Non è stato considerato il costo della pompa stessa poiché il prezzo di quest'ultima permane invariato, indipendentemente dal metodo utilizzato (azionamento in c.a. o valvole). Per quanto concerne i sistemi di controllo chiusura vi sono due possibilità, secondo l'utilizzo della pompa (industriale o domestico). In ambiente industriale i requisiti per le valvole sono più restrittivi, e questo fa lievitare i costi.

Il motore

Come si può notare, il costo del motore con metodi di regolazione di tipo tradizionale risulta molto più elevato che nel caso di azionamenti in c.a. Infatti, se l'azionamento in c.a. consente di utilizzare un motore trifase, altri sistemi di regolazione richiedono motori monofase.

L'azionamento in c.a.

L'azionamento in c.a., non richiedendo componenti meccanici, comporta una sostanziale riduzione dei costi. I componenti meccanici di per sé sono quasi sempre meno costosi rispetto a un convertitore di frequenza, ma al costo globale dell'investimento vanno aggiunti i componenti elettrici. Considerando complessivamente tutti i costi, l'azionamento in c.a. risulta quasi sempre l'investimento più economico, a fronte degli altri metodi di controllo. Solo i sistemi di controllo chiusura per uso domestico hanno un costo inferiore rispetto all'azionamento in c.a. Tuttavia, qui non si parla di costi globali. Occorre infatti aggiungere al costo dell'investimento anche i costi di installazione e di esercizio.

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Vantaggi economici degli azionamenti in c.a.

Controllo chiusura

Azionamento in c.a.

Materiale di installazione

$ 20

$ 10

Manodopera per installazione

$ 5h x 65 = $ 325

$ 1h x 65 = $ 65

Manodopera per messa in servizio

$ 1h x 65 = $ 65

$ 1h x 65 = $ 65

Totale

$ 410

$ 140

Risparmio a livello di installazione: $ 270!

Costi di installazione: chiusura mediante valvole a fronte degli azionamenti in c.a.

Poiché i sistemi di controllo chiusura costituiscono l'investimento più economico dopo l'azionamento in c.a., effettueremo una comparazione tra questi due sistemi in termini di costi di installazione e di servizio. Come già ricordato, i sistemi di controllo chiusura richiedono la presenza di componenti elettrici e meccanici e, pertanto, risultano due volte più onerosi in termini di materiali di installazione. Inoltre, l'installazione di un sistema di controllo chiusura richiede il doppio delle ore di lavoro rispetto a quello di una azionamento in c.a. L'installazione di una valvola di tipo meccanico all'interno di una tubazione non è un'operazione semplice e i tempi di installazione sono più lunghi. Perché una valvola di tipo meccanico sia utilizzabile occorrono normalmente cinque ore di lavoro a fronte di un'ora per l'installazione di un azionamento in c.a. Per ottenere il costo installazione totale occorre moltiplicare questa cifra per la paga oraria di un installatore specializzato. La messa in servizio di un sistema di controllo chiusura normalmente non richiede più tempo di quella di un sistema con azionamento in c.a. Entrambi i sistemi normalmente richiedono un'ora di tempo. A questo punto si possono sintetizzare i costi globali di installazione. Risulta chiaramente che l'azionamento in c.a. consente un risparmio fino a $ 270 per una singola installazione. Così, anche se i costi di investimento del sistema di chiusura mediante valvole fossero inferiori al prezzo di un motore monofase (circa $ 200), l'azionamento in c.a. ammortizzerebbe i propri costi ancora prima di essere utilizzato.

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Vantaggi economici degli azionamenti in c.a.

Controllo chiusura

Azionamento in c.a. con risp. del 50%

Requisiti di potenza

0.75 kW

0.37 kW

Consumo annuo energia (4000 ore/anno)

3000 kWh

1500 kWh

Costo annuo energia

$ 300

$ 150

Manutenzione/anno

$ 40

$5

Costo totale/anno

$ 340

$ 155

a 0,1 $/kWh

Risparmio in un anno: $ 185!

Riduzione consumi e costi di manutenzione

In numerose inchieste ed esperimenti è stato dimostrato che gli azionamenti in c.a. consentono una facile riduzione del consumo energetico fino al 50%. Questo significa che, laddove i requisiti di potenza con un sistema di controllo chiusura sarebbero di 0,75 kW, con l'azionamento in c.a. si ridurrebbero a 0,37 kW. Se si utilizza una pompa per 4000 ore/anno, un sistema di controllo chiusura richiederebbe 3000 kWh, mentre un sistema con azionamento in c.a. avrebbe un consumo annuo di soli 1500 kWh. Per calcolare i risparmi è necessario moltiplicare il consumo energetico per il prezzo dell'energia, che varia in base al paese. In questo caso è stato applicato un prezzo di $ 0,1 per kWh. Come già evidenziato, i componenti meccanici sono soggetti a usura e, pertanto, richiedono regolari interventi di manutenzione. E' stato calcolato che, se un sistema di controllo chiusura ha un costo di manutenzione annuo pari a $ 40, il costo di manutenzione di un azionamento in c.a. si riduce a $ 5. Tuttavia, in molti casi i convertitori di frequenza non richiedono alcuna manutenzione. Pertanto, il risparmio complessivo in termini di costi di esercizio ammonterebbe a $ 185, cioè circa la metà del prezzo di un convertitore di frequenza in questa gamma di potenza. Ciò significa che il tempo di ammortamento del convertitore è di due anni. Vale pertanto la pena di considerare che, anziché sobbarcarsi il costo annuo per l'assistenza a una vecchia valvola, sarebbe più conveniente sostituire l'intero sistema con un azionamento in c.a. Il tempo di ammortamento per aggiornare un sistema preesistente di controllo chiusura è di due anni.

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Vantaggi economici degli azionamenti in c.a.

Comparazione prezzi per pompe Con costi di esercizio e di installazione

USD

Costi di esercizio* Costi di installazione Prezzo totale

Regolazione mediante valvole

Azionamento in c.a.

* I costi di esercizio sono espressi ai valori attuali (10% di tasso di interesse in 10 anni)

Risparmio totale in 10 anni - $ 1562!

Comparazione dei costi globali

Il diagramma sopra riportato fornisce una visione di insieme di tutti i costi. Il tempo medio per un calcolo dei costi di esercizio relativamente a investimenti di questo tipo è di 10 anni. In questo caso, i costi di esercizio sono stati stimati secondo i valori attuali calcolando un tasso di interesse del 10%. Nel lungo periodo, il metodo tradizionale risulta due volte più costoso rispetto a un convertitore di frequenza. Il risparmio conseguibile con gli azionamenti in c.a. deriva per la maggior parte dai costi di esercizio, specialmente in termini di risparmio energetico. Il singolo elemento di risparmio più significativo consiste nell'installazione, e tale risparmio si realizza immediatamente al momento dell'installazione. Considerando l'importo del costo complessivo, è molto difficile capire perché solo il 3% dei motori venduti sono dotati di convertitori di frequenza. Nella presente guida si è cercato di illustrare i vantaggi degli azionamenti in c.a. e di spiegare perché ABB ritiene che questo sia in assoluto il miglior metodo di controllo dei processi produttivi.

Technical Guide No.4- Guide to Variable Speed Drives

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Capitolo 7 - Indice analitico A ABB 5, 28, 31, 39, 44 accoppiamento idraulico 22 agitatori per margarine 9 alimentazione 11 alimentazione elettrica 14, 25, 31 attrito 16 autoalimentazione in mancanza di rete 27, 29 avviamento diretto in linea 23 avvolgimenti del motore 12, 13 azionamenti a cinghia 22 azionamenti a velocità variabile 5, 6, 7, 8, 10, 13, 21, 22, 23, 24, 39 azionamento 11, 14, 18, 27, 31 azionamento a quattro quadranti 15 azionamento in c.a. 5, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39 azionamento in c.c. 22, 23, 24 B bus in c.c. 12, 13 C carico del motore 30 CD-ROM 33 centrifughe 9 coefficiente di rendimento 14 commutatore 22, 24 compatibilità elettromagnetica 31 compressori 10 condizionamento aria 7, 10 condizioni di stallo del motore 29 container per spedizioni 10 contattori 34 controllo a velocità variabile 11, 19, 22, 36 controllo bypass 20 controllo chiusura 20, 34, 36, 37, 38 controllo di processo 23, 24, 25, 27 convertitore di frequenza 11, 12, 14, 15, 18, 22, 26, 30, 31, 32, 36, 38, 39 convertitore in c.c. 22 coppia 14, 15, 16, 17, 18, 26, 27, 28, 29, 30 corrente 12, 13, 14, 22 curve della capacità di carico 26 D dimensioni del motore 14 direttive EMC 31 dirigibile 33 disturbi elettrici 31

40

dosaggio 10 E EMC 31 energia 8, 11, 12, 13, 20, 23, 24, 29, 35, 38, 39 estrusori 9 F fase del motore 12 fattore di potenza 14 floppy disk 33 flusso 12, 13 flusso magnetico 12, 13 forno di essiccazione 8 frantumatore 16 frenatura 15, 21 frequenza dell’azionamento 29 frequenza di stallo 29 funzione di stallo 27, 29 funzione inversione 27 fusibili 34 G gru 10, 15, 17 guasti di disturbo 27 H HVAC 7 I impianti energetici 7, 20, 35 industria chimica 7 induzione elettromagnetica 12, 13 inerzia 16, 30 ingranaggi 11 interferenza 13, 19 inverter 12, 13, 22 IP 21 31 IP 54 31 L laminatoi 9 linee di segatrici 9 M macchina 8, 9, 10, 11, 22, 27 macchine per lavorazione di carta 9 manutenzione 22, 23, 24, 35, 38 mercato degli azionamenti in c.a. 3, 24 messa in servizio 37 motore a gabbia di scoiattolo 11, 18, 22, 31 motore in c.a. 11, 12 motore in c.c. 11, 22, 24 P perdite a livello del motore 14 pompa 10, 22, 23, 34, 36, 38 porto 17

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potenza attiva 14 potenza di ingresso 14 potenza di uscita 14 potenza meccanica 8, 14 potenza reattiva 14 processi industriali 5, 6, 7, 11 R raddrizzatore 12 rampa a S 28 rampa lineare 28 reattori 34 regola della mano destra 12 regolazioni in continuo 13 rendimento del motore 14 riavviamento in velocità 27, 30 rilevatori 10 S sala elettrica 22 scorrimento 12, 27, 30 sistema di processo 8 soffiatori 10, 16 software dell’azionamento 29 statore 12 T tecnologia elettromagnetica 8 tecnologia nucleare 8 tecnologia termica 8 temperatura 7, 8, 13, 29, 31 tensione 12, 13, 14, 22, 25, 29, 30 transistori 14 trasportatori 10 trasporto 10 trasporto materiali 6 trattamento materiali 6, 8, 9 umidità 7 V valvole 22, 34, 36, 37, 38 velocità critica 28 velocità di riferimento 28 velocità nominale 14 ventilatori 7, 8, 10, 16 vibrazioni meccaniche 4, 27, 28 volano 30 VSD 5, 6, 7, 8,13, 21, 22, 23, 24

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Guida tecnica N. 4 - Guida agli azionamenti a velocità variabile

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