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

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Guida agli azionamenti a velocità variabile

Guida tecnica N. 4Guida tecnica N. 4

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

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3Guida tecnica N. 4 - Guida agli azionamenti a velocità variabile

Indice

1 Introduzione ..............................................................Generalità ...................................................................

2 I processi e i loro requisiti .......................................Perché utilizzare azionamenti a velocità variabile? ......Segmenti industriali che utilizzano processi conazionamenti a velocità variabile ..................................Le variabili nei sistemi di processo .............................Le macchine utensili vengono utilizzate per modificarele proprietà dei materiali ..............................................

Forma ben definita ..................................................Forma indefinita ......................................................

...e per trasportare materiali ......................................Materiali solidi .......................................................Materiali liquidi ......................................................Materiali gassosi ...................................................

3 Il cavallo di battaglia del settore industriale:il motore elettrico ....................................................I motori elettrici come azionamento di quasi tuttele macchine ..............................................................I motori convertono l'energia elettrica in energiameccanica ................................................................I convertitori di frequenza per il controllodell'induzione elettromagnetica ..................................Il rendimento del sistema di azionamento .................Talvolta è necessaria l'inversione della rotazioneo 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 caricosono uguali a velocità nominale ................................

4 Necessità di una forma di controllo per i volumivariabili ....................................................................Flusso di materiale variabile e requisiti diingresso/uscita .........................................................Metodi di controllo più semplici .................................Gli azionamenti a velocità variabile costituisconoil miglior metodo di controllo ......................................Azionamenti a velocità variabile di tipo elettrico,idraulico e meccanico ...............................................

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

Accoppiamento idraulico .......................................Azionamento in c.c. ..............................................Azionamento in c.a. ..............................................

Gli azionamenti a velocità variabile di tipo elettricodominano il mercato ..................................................

Costi di manutenzione...........................................Produttività ...........................................................Risparmio energetico ............................................Miglioramento della qualità ....................................

Rapida crescita del mercato degli azionamenti in c.a. ...

5 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 unazionamento in c.a. ...................................................Caratteristiche dell'azionamento in c.a. per unmigliore 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 .........................................................................

6 Vantaggi economici degli azionamenti in c.a. ......Differenze tecniche tra altri sistemi e gliazionamenti 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 valvolea fronte degli azionamenti in c.a. ..............................Riduzione consumi e costi di manutenzione..............Comparazione dei costi globali ..................................

7 Indice analitico ........................................................

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5Guida tecnica N. 4 - Guida agli azionamenti a velocità variabile

La presente guida si aggiunge alla serie di guide tecnicheelaborate da ABB e descrive diversi tipi di azionamento a velocitàvariabile (VSD, variable speed drives) e le modalità con cui essivengono utilizzati nell'ambito dei processi industriali. E' statariservata particolare attenzione agli azionamenti elettrici, inparticolare agli azionamenti in c.a.

La guida è stata strutturata in modo tale da costituire unostrumento pratico. La sua consultazione non richiede particolariconoscenze nel campo degli azionamenti, ma è comunquenecessario disporre di nozioni tecniche di base per comprendereappieno la terminologia e le descrizioni contenute.

Capitolo 1 - Introduzione

Generalità

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

Al fine di comprendere le ragioni che determinano la necessitàdi un controllo a velocità variabile, occorre in primo luogocomprendere i requisiti dei vari processi. Tali processi possonoessere suddivisi in due categorie principali; il trattamento deimateriali e il loro trasporto, a loro volta ulteriormente suddivisibiliin numerosi sottogruppi.

Entrambe le categorie sono tuttavia accomunate dallanecessità di regolazione dei processi. Tale funzione è svoltadagli azionamenti a velocità variabile. Nel presente capitolo sidescrivono i principali processi industriali e non industriali chefanno uso di azionamenti a velocità variabile.

Capitolo 2 - I processi e i loro requisiti

Perchéutilizzareazionamentia velocitàvariabile?

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7Guida tecnica N. 4 - Guida agli azionamenti a velocità variabile

A titolo di esempio!

Industria chimica

Cellulosa, carta, stampa

Prodotti alimentari, bevande

Centrali elettriche

Settore minerario

Settore metallurgico

Officine meccaniche

PlasticaTessili

Non industriali:

HVACTrattamento acque

Settori industriali:

I processi industriali sono numerosi, e l'elenco nella tabellariporta solo alcuni dei comparti industriali i cui processiutilizzano azionamenti a velocità variabile. Sono accumunatisolo dal fatto di richiedere un tipo di controllo con azionamentia velocità variabile.

Ad esempio, nelle applicazioni per condizionamento d'aria(nell'ambito dei sistemi HVAC), i requisiti di portata ariacambiano in base ai valori di umidità e temperatura ambiente.Per rispondere a tali requisiti è necessario regolare i ventilatoridell'aria di alimentazione e di ripresa. Tali interventi diregolazione possono essere attuati mediante azionamenti avelocità variabile.

L'uso di ventilatori è diffuso anche nelle centrali elettriche enel settore chimico. In entrambi i settori, i ventilatori devonoessere regolati in base al processo principale. Nelle centralielettriche, le principali variazioni di processo sono dovute alleoscillazioni del consumo di energia in diversi momenti dell'anno,del giorno o della settimana. Nello stesso modo, la necessitàdi azionamenti a velocità variabile varia in base al processo.

Segmentiindustrialiche utilizzanoprocessi conazionamentia velocitàvariabile

I processi e i loro requisiti

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

Alimen-tazione

Materieprime

Sistema di processo

Trattamento materie prime mediante

Potenza meccanica

Tecnologiaelettrormagnetica

Tecnologiatermica

Reazionibiochimiche

Tecnologianucleare

Prodotto o stadiofinale materiale

Flusso energetico

Flusso materiali

Sprecoenrgetico

Scarti dilavarazione

Il presente diagramma mostra quali variabili influiscono sulsistema di processo. Tali variabili possono essere raggruppatein due categorie: energia e materiali. Nel sistema di processostesso, i materiali o l'energia vengono trattati per mezzo dipotenza meccanica, tecnologia elettromagnetica, termica,reazioni biochimiche o tecnologia nucleare.

Ciascun processo, per avere luogo, richiede l'alimentazione dimaterie prime e di energia.

Il prodotto finito o lo stadio finale del materiale trattatocostituiscono il prodotto del processo, ma in ciascun processosi produce anche del materiale di scarto, sia sotto forma dienergia che di materiali.

Nei sistemi di processo si utilizzano azionamenti a velocitàvariabile per controllare la potenza meccanica dei varimacchinari utilizzati.

E' inoltre possibile controllare il trattamento delle materie primemediante azionamenti a velocità variabile. Un buon esempio ècostituito dai forni di essiccazione, nei quali la temperaturadell'aria calda deve essere mantenuta costante. Il processo ècontrollato mediante il controllo della velocità dei ventilatori diaria calda attraverso azionamenti a velocità variabile.

Le variabilinei sistemi diprocesso

I processi e i loro requisiti

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9Guida tecnica N. 4 - Guida agli azionamenti a velocità variabile

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

Macchine operative

Apparati di processo

Forma ben definita

Forma indefinita

Macchinari Impianti

fresatrice

macchina per formatura

laminatoimacchine per lavorazionedi carta, legno, tessili,macchine per stamparobot

miscelatori,agitatoricentrifugheestrusoriautoclavimulini

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____

Come già detto nel corso della presente guida, i processi dilavorazione meccanica si dividono in due categorie. La primacategoria consiste nel trattamento dei materiali realizzatomediante diversi tipi di apparati di processo atti a modificarele proprietà dei materiali variandone la forma.

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

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

Le macchineutensili vengonoutilizzate permodificare leproprietà deimateriali...

I processi e i loro requisiti

Forma bendefinita

Forma indefinita

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

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

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

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

I materiali gassosi come l'aria vengono trasportati medianteventilatori, compressori o soffiatori. Un'applicazione particolaredi tali impianti consiste nel condizionamento aria.

Nel diagramma sopra riportato sono presentate cinque diversetipologie di impianti. Essi vengono utilizzati per dare forma otrasportare vari tipi di materiale, ma tutti potenzialmentepossono essere dotati di azionamenti a velocità variabile.

...e pertrasportaremateriali

Materiali solidi

Materiali liquidi

Materiali gassosi

I processi e i loro requisiti

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11Guida tecnica N. 4 - Guida agli azionamenti a velocità variabile

_____________ ____________ __________

Prodotto o statofinale del materiale

Alimentazione materiale (e energia/segnale)Alimentazione:

combustibile, pressione gas, rete

Controllo energetico:conversione e/o regolazione dell'energia fornita

Il motore:conversione dell'energia fornita in energia meccanica (di rotazione)

Trasmissione:conversione e/o regolazione dell'energia meccanica fornita

Lavorazione del materiale (e energia/ segnale) mediante energia meccanicapossibili dislocazioni del controllo a velocità variabile_

sistema azionamento

flusso energiaflusso energia meccanica

Tutte le macchine di cui abbiamo parlato nella presente guidasono normalmente azionate da motori elettrici. Il motore elettricopotrebbe essere definito a ragione il cavallo di battaglia deiprocessi industriali - in questo capitolo osserveremo più davicino i motori elettrici - specialmente il motore in c.a. a gabbiadi scoiattolo, che è il più utilizzato nell'ambito dei processiindustriali.

Capitolo 3 - Il cavallo di battaglia delsettore industriale: il motore elettrico

Tutte le macchine comprendono quattro diversi componenti,come mostra il diagramma. Tali componenti consistono nelcontrollo dell'energia, nel motore, nella trasmissione e nellamacchina di lavorazione (WM - Working Machine). L'insiemedei primi tre componenti costituisce il cosiddetto “azionamento”.Esso può trasformare un determinato tipo di energia,solitamente elettrica, in energia meccanica, che viene in seguitoutilizzata dalla macchina adibita alla lavorazione. L'energiainiviata all'azionamento proviene dall'alimentazione.

In ciascuno dei tre componenti dell'azionamento è possibileapplicare un controllo a velocità variabile. Tale controllo puòessere realizzato, ad esempio, utilizzando un convertitore difrequenza come componente di controllo dell'energia, un motorea due velocità come componente del motore e ingranaggi comecomponente a livello di trasmissione.

I motori elettrici si suddividono in motori in c.a. e in c.c. Imotori in c.a., in particolare i motori a gabbia di scoiattolo,sono i più largamente utilizzati nei processi industriali.

I motorielettrici comeazionamentodi quasi tuttele macchine

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

Convertitore di frequenza Motore

Raddriz-zatore

Circuito in c.c. Unità inverter

La capacità di un motore in ca di convertire l'energia elettricain energia meccanica si basa sull'induzione elettromagnetica.La tensione negli avvolgimenti statorici forma il flussomagnetico e di corrente. La direzione del flusso può esseredeterminata mediante la regola della mano destra dalla correntestatorica.

Modificando la direzione della tensione negli avvolgimentistatorici, è possibile modificare anche la direzione del flusso.Modificando la direzione della tensione negli avvolgimenti deimotori trifase nel giusto ordine, il flusso magnetico del motoreinizia a rotare. Il rotore del motore segue successivamentequesto flusso con un certo scorrimento. Si tratta del principiodi base utilizzato per i controllo dei motori in c.a.

E' possibile realizzare questo tipo di controllo utilizzando unconvertitore di frequenza. Come suggerisce il nome stesso,un convertitore di frequenza modifica la frequenza dellatensione e della corrente alternata. I convertitori di frequenzasi compongono di tre parti. La corrente trifase da 50Hz èalimentata al raddrizzatore, che la converte in corrente continua.La tensione in c.c. è alimentata nel circuito del bus in c.c., chefiltra la tensione pulsante. In seguito l'inverter collega ciascunafase del motore al bus in c.c. positivo o negativo in base a undeterminato ordine.

Per ricevere la direzione di flusso mostrata nel diagramma, ènecessario chiudere gli interruttori V1, V4 e V5. Perché il flussoruoti in senso antiorario, è necessario chiudere l'interruttoreV6, lasciando aperto l'interruttore V5. Se non si apre l'interruttoreV5, si verifica un corto circuito. Il flusso ha compiuto un giro di60° in senso antiorario.

I motoriconvertonol'energiaelettrica inenergiameccanica

Il cavallo di battaglia del settore industriale: il motore elettrico

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13Guida tecnica N. 4 - Guida agli azionamenti a velocità variabile

L'inverter presenta otto diverse posizioni di commutazione. Indue posizioni la tensione è uguale zero, ad esempio quandotutte le fasi sono collegate allo stesso bus in c.c., negativo opositivo. Pertanto, nelle sei restanti posizioni di commutazionegli avvolgimenti del motore sono sotto tensione, e tale tensionedetermina un flusso magnetico.

Il diagramma mostra queste sei posizioni di commutazionecon le relative direzioni del flusso, generato dalla tensionepresente negli avvolgimenti in ciascun caso. La tensione generainoltre corrente negli avvolgimenti, le cui direzioni sonocontrassegnate da frecce in ciascuna fase.

Il controllo nella pratica non è così semplice come protrebbeapparire. Il flusso magnetico genera correnti a livello del rotore.Tali correnti del rotore complicano la situazione. Interferenzeesterne, ad esempio a livello di temperatura o di cambiamentidi carico, possono inoltre determinare problemi a livello dicontrollo. Tuttavia, la tecnologia e le competenze attualiconsentono di gestire le interferenze in modo efficace.

Gli azionamenti elettrici a velocità variabile presentano anchemolti vantaggi supplementari, ad esempio in termini di risparmioenergetico, in quanto il motore assorbe solo la quantità dienergia elettrica realmente richiesta. Essi consentono inoltreun controllo più efficace rispetto ai metodi tradizionali poichégli azionamenti elettrici a velocità variabile consentono anchela possibilità di regolazione in continuo.

I convertitori difrequenza per ilcontrollodell'induzioneelettromagnetica

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

Perditeazionamento (di natura termica)

Corrente d'ingresso (elettrica)

Perditamotore (di natura termica)

Potenza di uscita

Potenza d'ingresso

Potenza di uscita (meccanica)

Il rendimento globale di azionamento dipende dalle perdite alivello del motore e dei controlli. Entrambi i tipi di perdita sonodi natura termica, e pertanto si manifestano sotto forma dicalore. La potenza d'ingresso alimentata al sistema diazionamento è di tipo elettrico, mentre la potenza di uscita è ditipo meccanico. Ecco perché il calcolo del coefficiente direndimento (• richiede nozioni di ingegneria meccanica edelettrica.

La potenza elettrica d'ingresso Pin dipende dalla tensione (U),dalla corrente (I) e dal fattore di potenza (cos•). Il fattore dipotenza esprime la ripartizione della potenza elettrica totale inpotenza attiva e in potenza reattiva. La potenza attiva ènecessaria per generare la potenza meccanica richiesta mentrela potenza reattiva è necessaria per produrre lamagnetizzazione a livello del motore.

La potenza meccanica di uscita Pout

dipende dalla coppia richiesta(T) e dalla velocità di rotazione (n). La potenza richiesta èdirettamente proporzionale alla velocità e alla coppia richiestee questo determina la quantità di potenza assorbitadall'alimentazione elettrica. Come già detto in precedenza, iconvertitori di frequenza regolano la tensione alimentata almotore, e in tal modo controllano direttamente la potenzautilizzata sia a livello del motore che a livello del processocontrollato.

La commutazione elettrica mediante transistori è moltoefficiente, pertanto il rendimento del convertitore di frequenzaè molto elevato, da 0,97 a 0,99. Il rendimento del motore sisitua normalmente tra 0,82 e 0,97, in base alle sue dimensionie alla sua velocità nominale. Si può pertanto affermare che,seil controllo è effettuato da un convertitore di frequenza, ilrendimento totale del sistema di azionamento è sempresuperiore a 0,8 .

Il rendimentodel sistema diazionamento

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15Guida tecnica N. 4 - Guida agli azionamenti a velocità variabile

In taluni casi è necessario azionare il motore in senso dirotazione inverso. Inoltre, possono variare anche i requisiti didirezione della coppia. La combinazione di questi fattoricostituisce il cosiddetto “azionamento a quattro quadranti”. Ilnome 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 ruotarein senso orario, ma la coppia è in direzione opposta, e pertantol'azionamento decelera.

III e IV quadrante: Nel terzo e nel quarto quadrante, il motoreruota in senso antiorario e l'azionamento accelera o decelera,in base alla direzione della coppia.

Con un convertitore di frequenza, è possibile modificare ladirezione della coppia indipendentemente dalla direzione dirotazione. Per ottenere un azionamento a quattro quadrantiefficiente, è necessario introdurre qualche dispositivo difrenatura. Questa modalità di controllo della coppia si rivelaparticolarmente necessaria nelle applicazioni per gru, laddovela direzione della rotazione può cambiare, fermo restando ladirezione della coppia.

Talvolta ènecessarial'inversionedella rotazioneo della coppia

Il cavallo di battaglia del settore industriale: il motore elettrico

Accelerazione

Decelerazione

Decelerazione

Accelerazione

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

m

I

La coppia del motore T deve essere maggiore rispetto alla coppia di carico T per consentire il sollevamento dellacassa.

Il motore deve produrre la coppia richiesta per superare la coppiadi carico. La coppia di carico comprende l'attrito, l'inerzia delleparti in movimento e il carico stesso, che dipende dal tipo diapplicazione. Nell'esempio illustrato, per riuscire a sollevare lacassa, la coppia del motore deve essere superiore alla coppiadel 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 daattrito e inerzia, ma anche dalla durezza del materiale dafrantumare. Nei ventilatori e nei soffiatori, i cambiamenti nellapressione dell'aria influiscono sulla coppia di carico, ecc.

Il cavallo di battaglia del settore industriale: il motore elettrico

Carico, attrito einerziaresistono allarotazione

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17Guida tecnica N. 4 - Guida agli azionamenti a velocità variabile

In ogni caso, prima di selezionare un motore idoneoall'applicazione è necessario conoscere la coppia di carico ela velocità richiesta. Solo con questi due elementi è possibilescegliere un motore idoneo all'applicazione.

Se il motore è sottodimensionato, non risponderà a requisiti epotranno presentarsi gravi problemi.Nelle applicazioni per gru,ad esempio, un motore troppo piccolo non sarà in grado disollevare il carico richiesto con sufficiente velocità e all'altezzadesiderata. Potrebbe persino lasciare cadere il carico comemostra il diagramma, con possibili conseguenze disastroseper il personale addetto al porto o al cantiere dove la gru èutilizzata. Per calcolare la coppia nominale del motore, utilizzarela formula sotto riportata:

T[Nm]=9550 x

Il motore devesuperare lacoppia dicarico

Il cavallo di battaglia del settore industriale: il motore elettrico

P[kW]n[1/min]

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

La curva di velocità/coppia di un motore è unica e deve esserecalcolata separatamente per ciascun tipo di motore. Una tipicacurva coppia/velocità è quella mostrata nel grafico come T

m.

Come si può notare, la coppia di carico massima si raggiungeappena 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 tipolineare o quadratico. Il motore accelera automaticamente finoa raggiungere la corrispondenza tra coppia di carico e coppiamotore. Questo punto è mostrato nel grafico come intersezionetra Tm e Tl. La coppia effettiva (Tact) è riportata sull'asse delleordinate e la velocità effettiva (n

act) sull'asse delle ascisse.

Questi principi sono alla base del funzionamento di un tipicomotore a gabbia di scoiattolo. L'utilizzo di un convertitore difrequenza consente di ottenere un controllo ottimale delleprestazioni sia per il motore che per l'azionamento nel suocomplesso. Se ne parlerà più diffusamente all'interno dellaguida.

La coppiadell'azionamentoe la coppia dicarico sonouguali avelocitànominale

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19Guida tecnica N. 4 - Guida agli azionamenti a velocità variabile

Interferenza

Durezza materiale

Flusso acqua

ProcessoIngressoUscita

InterferenzaCasi tipiciApplicazione ingresso Uscita

Pompa sommersa

Pompa

Ventilatore

Linea di segatrici

Coclea

Alimentatore

Smerigliatrice

livello acqua

livello acqua

Fabbisognocalore

Diametro tronco

Pressioneatmosferica

Durezza legno

Usura della mola

Volume materiale

Carico

La maggior parte dei processi presenta almeno una variabile.Tale variabile implica la necessità di una regolazione delprocesso. Ecco perché è necessario provvedere a una formadi 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.

Capitolo 4 - Necessità di una forma dicontrollo per i volumi variabili

I processi possono implicare numerosi parametri, ma i piùcomuni sono costituiti da ingresso, uscita e interferenza. Taliparametri possono essere costanti, oppure modificabili in basea uno schema preimpostato. Come discusso nel primo capitolo,in un processo sono sempre presenti ingressi e uscite e, quasisempre, un'interferenza.

In taluni processi non sono presenti interferenze e l'ingresso ècostante. Per questo tipo di processo il controllo a velocitàvariabile non è necessario. Tuttavia, nel caso in cui i parametridi uscita debbano essere modificati, ovvero in presenza di uningresso variabile o di un'interferenza, il controllo a velocitàvariabile potrebbe costituire la soluzione idonea per rispondereai requisiti di processo.

La tabella sopra riportata elenca alcuni processi che richiedonoun controllo a velocità variabile, evidenziando le ragioni chedeterminano la necessità di controllo, a livello di ingresso,interferenza o uscita.

Flusso dimaterialevariabile erequisiti diingresso/uscita

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

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 sistemaControllo mediante chiusura, ricircolo o avvio e arresto

Rischio di danni all'avviamento

Costi di esercizio elevati

Esistono numerosi metodi di controllo più semplici, come ilcontrollo chiusura o il controllo bypass. La configurazione ditali sistemi è di solito molto semplice e, a un primo sguardo,essi paiono costituire un investimento conveniente.

Tuttavia, tali sistemi presentano numerosi inconvenienti. Adesempio, con sistemi di questo tipo è molto difficile raggiungerela capacità di processo ottimale, la sola in grado di assicurareuna qualità ottimale del processo. Per aumentare la capacitàproduttiva è solitamente necessario procedere allariconfigurazione dell'intero processo, e per di più ogniavviamento diretto in linea comporta il rischio di danni a livelloelettrico e/o meccanico.

I metodi di controllo più semplici sono anche caratterizzati daun più elevato consumo energetico e pertanto, oltre a un costodi esercizio più elevato rispetto agli azionamenti a velocitàvariabile, hanno anche un maggiore impatto ambientale, adesempio in termini di emissioni di CO

2 degli impianti

eneregetici. In conclusione, il costo totale dell'investimentoper i metodi di controllo più semplici, tenendo conto dell'interociclo di vita, risulta molto più elevato rispetto a quello degliazionamenti a velocità variabile.

Metodi dicontrollo piùsemplici

Necessità di una forma di controllo per i volumi variabili

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21Guida tecnica N. 4 - Guida agli azionamenti a velocità variabile

Gli azionamenti a velocità variabile costituiscono un metododi controllo ottimale per quasi tutti i sistemi. Immaginate adesempio di essere alla guida di una vettura. Se vi trovate suuna strada a scorrimento veloce e giungete in prossimità diun'area abitata, dovete ridurre la velocità, per evitare di metterea repentaglio l'incolumità di altre persone.

Il modo migliore per farlo consiste nel ridurre la velocità dirotazione del motore togliendo il piede dall'acceleratore e, senecessario, passando a una marcia inferiore. Un'altra possibilitàsarebbe quella di mantenere la stessa marcia, senza togliereil piede dall'acceleratore, e di ridurre la velocità agendo suifreni. Quest'ultimo metodo provoca l'usura di motore e freni,oltre a consumare molto combustibile e a ridurre il controllodel veicolo. Inoltre, questo sistema non consente di raggiungerel'obbiettivo di ridurre la velocità senza mettere in pericolo lavita del conducente e di altre persone.

Necessità di una forma di controllo per i volumi variabili

Gli azionamentia velocitàvariabilecostituiscono ilmiglior metododi controllo

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.

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Controllo a velocità variabile di tipo meccanico

Accoppiamento idraulico

Azionamento in c.c.

Convertirore di frequenza

Sala elettrica Area di processo

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

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

Negli azionamenti in c.c., un convertitore in c.c. cambia latensione di alimentazione in ingresso al motore in c.c. A livellodel motore, un inverter meccanico, un commutatore, commutala corrente continua in corrente alternata.

Nei convertitori di frequenza, o azionamenti in c.a., si utilizzaun motore standard a gabbia di scoiattolo, in modo da evitare lanecessità di un inverter meccanico. La velocità del motore èregolata da un convertitore di frequenza che modifica lafrequenza di tensione del motore, come già illustrato nellapresente guida. Il convertitore di frequenza è controllato mediantesegnali elettrici.

Il diagramma mostra l'ubicazione dei dispositivi di controllo perciascun tipo di azionamento a velocità variabile. Negliazionamenti a velocità variabile di tipo meccanico e idraulico, idispositivi di controllo sono situati tra il motore e la macchina, eciò rende molto complesse le operazioni di manutenzione.

Negli azionamenti a velocità variabile di tipo elettrico, tutti i sistemidi controllo sono situati in una sala elettrica, e solo il motore diazionamento è situato nell'area di processo. Questo è solo unodei vantaggi degli azionamenti a velocità variabile di tipo elettrico.Gli altri vantaggi sono illustrati nella pagina seguente.

Necessità di una forma di controllo per i volumi variabili

Azionamenti avelocità variabiledi tipo elettrico,idraulico emeccanico

Accoppiamentoidraulico

Azionamento in c.c.

Azionamento in c.a.

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

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Velocidad óptima

2. Aumento di produzione

4. Qualità ottimale

Azionamenti a velocità variabile di tipo elettricoVelocità

3. Risparmio energetico

1. Risparmio di manutenzione Tempo

Mercato azionamenti a velocità variabileAnno 2000: Europa (stima)

Az. a velocitàvariabile

Dimens. mercato(milioni di $)

Quota dimercato (%)

Az. in c.a.

__________________

______ _______ _____ __

Az. in c.c.

Meccanici

Idraulici

Totale

Ecco i quattro principali argomenti a favore dell'utilizzo diazionamenti a velocità variabile di tipo elettrico, presentati conuna stima delle quote di mercato degli azionamenti a velocitàvariabile in Europa nell'anno 2000. I quattro vantaggi principaliderivanti dall'utilizzo di azionamenti a velocità variabile di tipoelettrico sono evidenziati nei punti di inversione della curvadella velocità.

L'avviamento diretto in linea sollecita il motore e l'impiantoelettrico. Gli azionamenti a velocità variabile di tipo elettricoconsentono l'avviamento senza soluzione di continuità con uneffetto diretto sui costi di manutenzione.

Gli impianti di processo sono normalmente progettati inprevisione di possibili aumenti della produttività. La modificadi un impianto a velocità costante per consentire un più elevatovolume di produzione risulta onerosa sia in termini economiciche di tempo. Gli azionamenti in c.a. consentono di aumentarela velocità del 5 - 20% senza particolari problemi, aumentandodi conseguenza la produzione senza ulteriori investimenti.

In numerosi processi i volumi di produzione sono soggetti amodifiche. La modifica dei volumi di produzione mediante mezzimeccanici spesso risulta molto inefficiente. Grazie agliazionamenti a velocità variabile di tipo elettrico, è possibilecambiare il volume di produzione modificando la velocità delmotore. Ciò consente un notevole risparmio energetico, inparticolare nelle applicazioni per pompe e ventilatori, poiché lapotenza dell'albero è proporzionale al cubo della portata.

La precisione del controllo della velocità raggiungibile grazie agliazionamenti elettrici a velocità variabile si traducenell'ottimizzazione dei processi. A tale ottimizzazione fa riscontrouna qualità ottimale del prodotto finale, con maggiori vantaggi peril cliente.

In ragione di questi vantaggi, gli azionamenti elettrici a velocitàvariabile hanno una posizione dominante sul mercato, comemostra la tabella sopra riportata. Gli azionamenti in c.c. e inc.a. coprono insieme oltre il 75% - e gli azionamenti in c.a.oltre il 50% - del mercato totale degli azionamenti a velocitàvariabile in Europa nell'anno 2000.

Necessità di una forma di controllo per i volumi variabili

Gli azionamentia velocitàvariabile di tipoelettricodominano ilmercato

Costi dimanutenzione

Produttività

Miglioramentodella qualità

Risparmioenergetico

23Guida tecnica N. 4 - Guida agli azionamenti a velocità variabile

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

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

Fonte Frost & Sullivan & ARC - 1993

Il diagramma sopra riportato mostra una proiezione dellosviluppo del mercato degli azionamenti elettrici a velocitàvariabile fino all'anno 2000. Come si può notare, il mercatodegli azionamenti in c.a. cresce a un tasso annuo vicino al10%, che rappresenta la crescita globale del mercato degliazionamenti elettrici a velocità variabile. La quota di mercatodegli azionamenti in c.c. è in calo, mentre il mercato totale inc.c. rimane pressoché costante. Tale progresso è attribuibileallo sviluppo nella tecnologia degli azionamenti in c.a.

Come illustrato in precedenza nella presente guida, gliazionamenti in c.a. presentano numerosi vantaggi rispetto adaltri metodi di controllo di processo. La differenza tra un motorein c.c. e un motore in c.a. consiste nel fatto che il primo èdotato di commutatore meccanico, che utilizza spazzole alcarbonio. Le spazzole richiedono regolari interventi dimanutenzione e lo stesso commutatore complica la strutturadel motore e consuma energia. Queste sono le ragioni principaliper cui la quota di mercato degli azionamenti in c.a. è in crescitaa fronte degli azionamenti in c.c.

Rapidacrescita delmercato degliazionamenti inc.a.

Necessità di una forma di controllo per i volumi variabili

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25Guida tecnica N. 4 - Guida agli azionamenti a velocità variabile

Control del motor

Alimentazione

Interfaccia utenteInterfaccia di processo

ProcessoMotore

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 seguentecapitolo osserveremo più nel dettaglio le diverse caratteristichedi questo tipo di azionamento, e i livelli di prestazioni che è ingrado di offrire.

Capitolo 5 - Azionamento in c.a.: ilmetodo di controllo più diffuso

Nel presente diagramma sono illustrate le funzioni di base diun azionamento in c.a. Nel controllo motore di un azionamentoin c.a. sono presenti quattro componenti distinti. Talicomponenti sono: l'interfaccia utente, il motore, l'alimentazioneelettrica e l'interfaccia di processo.

L'alimentazione elettrica trasmette l'elettricità richiestaall'azionamento; un criterio di selezione dell'azionamentoconsiste nella tensione di alimentazione e nella sua frequenza.L'azionamento in c.a. converte la frequenza e la tensione ealimenta il motore. Tale processo di conversione è controllatomediante segnali provenienti dal processo o dall'utenteattraverso le relative interfacce.

L'interfaccia utente consente di osservare l'azionamento in c.a.e di ottenere diverse informazioni relative al processo attraversol'azionamento. Ciò facilita l'integrazione dell'azionamento stessocon altri dispositivi di controllo di processo e con i sistemi dicontrollo di processo con funzioni di esclusione.

Le funzioni dibase di unazionamento inc.a.

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

Curva 2

Curva 1

Curva 1

Curve 2 e 3

Curva 3

Carico

Carico

Se il motore è azionato senza convertitore di frequenza, lecurve relative alla sua capacità di carico non possono esseremodificate. Ne risulta una coppia ben precisa a una determinatavelocità, e la coppia massima non può essere superata.

Se l'azionamento è dotato di convertitore di frequenza, sonopossibili varie opzioni di carico. La curva standard, denominataCurva 1 nel diagramma, può essere usata con continuità. Lealtre curve possono essere utilizzate solo per periodi di tempolimitati, in quanto il sistema di raffreddamento del motore nonè 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, lacoppia richiesta in questa fase è quasi doppia rispetto alla coppianormale. Tali valori sono ottenibili se si ricorre a un convertitoredi frequenza poiché consente di dimensionare il motore in baseal suo utilizzo normale, con una riduzione dei costi diinvestimento.

Per poter sfruttare tali caratteristiche, è molto importante cheil carico, l'azionamento in c.a. e il motore siano compatibili. Incaso contrario il motore o il convertitore possono subire dannidovuti al surriscaldamento.

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

Le curve dellacapacità dicarico motorecon unazionamento inc.a.

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27Guida tecnica N. 4 - Guida agli azionamenti a velocità variabile

Gli azionamenti in c.a. presentano anche altre caratteristichee funzionalità intrinseche che possono risultare necessarie permigliorare il controllo di processo. Il diagramma fornisce unelenco di tali caratteristiche. Per quanto riguarda gli ingressi ele uscite, ad esempio, è possibile inviare all'azionamento varieinformazioni di processo, per consentire un controllo idoneodel motore. In alternativa, è possibile limitare il carico allo scopodi prevenire i guasti e di proteggere la macchina e l'interosistema di azionamento.

Le caratteristiche elencate vengono presentate in modo piùapprofondito nelle prossime sezioni.

Caratteristichedell'azionamentoin c.a. per unmigliorecontrollo delprocesso

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

•••••••••••

Caratteristiche principali:

ingressi e uscitefunzione inversionerampa di accelerazione e decelerazioneimpostazioni V/Hz della coppia variabileextra-coppiaeliminazione delle vibrazioni meccanichelimiti di caricoautoalimentazione in mancanza di retefunzione di stallocompensazione di scorrimentoriavviamento in velocità

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

Inversione con rampe di accelerazione e decelerazione

Impostazioni controllo di coppia

tempo di decelerazionetempo di accelerazione

extra coppia

impostazioni U/f coppia ariabile

eliminaz. vibrazioni meccaniche

L'inversione della direzione di rotazione del motore viene attuatafacilmente con un azionamento in c.a. Grazie ai convertitori difrequenza ABB ciò può essere realizzato con la semplicepressione di un tasto. E' inoltre possibile impostare diversi tempiper le rampe di accelerazione e decelerazione. La forma dellarampa può anche essere modificata in base alle esigenzedell'utente. Nel diagramma (in alto a sinistra) viene illustratauna rampa a S. Un'altra possibilità potrebbe essere costituitada una rampa lineare.

Il controllo di coppia risulta relativamente semplice con gliazionamenti in c.a. L'extra coppia, presentata in precedenza, ènecessaria quando la coppia richiesta all'avviamento è moltoelevata. Le impostazioni U/f con coppia variabile consentono diraggiungere la coppia massima a una velocità di rotazioneinferiore alla nominale.

E' possibile eliminare le vibrazioni meccaniche bypassando levelocità critiche. Ciò significa che, quando un motore è inaccelerazione e si avvicina alla velocità critica, l'azionamentonon consente che la velocità effettiva del motore segua lavelocità di riferimento. Una volta sorpassato il punto critico, ilmotore torna molto velocemente alla curva regolare superandocosì la velocità critica.

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

Inversione

Controllo dicoppia

Eliminazionedelle vibrazioni

meccaniche

n

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29Guida tecnica N. 4 - Guida agli azionamenti a velocità variabile

Regione di stallo

Autoalimentazione in mancanza di rete

Funzione di stallo

Coppia

Tensione circuito intermedio (U )

Frequenza in uscita (f)

Coppia motore (T )

Frequenza di stallo

rete

c.c.

m

cc

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

La funzione di stallo degli azionamenti in c.a. consente diproteggere i motori in caso di stallo. E' possibile regolare ilimiti di controllo e determinare le reazioni dell'azionamento afronte di una condizione di stallo del motore. La protezioneviene attivata quando si verificano contemporaneamente letre condizioni seguenti.

1. La frequenza dell'azionamento è inferiore alla frequenza distallo preimpostata.

2. La coppia del motore è superiore al valore massimoammissibile, calcolato dal software dell'azionamento. Tale valorecalcolato cambia continuamente in base a vari fattori, adesempio la temperatura del motore. In presenza dellecondizioni 1 e 2, il motore si trova nella regione di stallocontrassegnata nel diagramma.

3. L'ultima condizione prevede che il motore si trovi nellaregione di stallo per un periodo più lungo di quello impostatodall'utente.

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

Autoalimentazionein mancanza di

rete

Funzione di stallo

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

La velocità del motore decresce all'aumentare della coppia dicarico del motore, come evidenzia il diagramma (in alto asinistra). Al fine di compensare questo scorrimento, ilconvertitore di frequenza consente di modificare la curva dicoppia/velocità in modo tale che l'aumento della coppia possaessere raggiunto alla stessa velocità precedente.

La funzione di riavviamento in velocità viene utilizzata quandoun motore è collegato a un volano o a un carico di inerziaelevato. Se il motore e il volano sono in rotazione e il motore èin tensione, il convertitore di frequenza alimenta il motore allastessa tensione e frequenza. In una situazione di questo tipo, ilcollegamento di potenza a un motore privo di azionamento inc.a. con funzioni di riavviamento in velocità potrebbe determinaredegli inconvenienti.

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

Compensazionedi scorrimento

Riavviamento invelocità

Compensazione di scorrimento Riavviamento in velocità

Coppia

scorrimentovelocità del motore (n)

frequenza del convertitore (f)

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31Guida tecnica N. 4 - Guida agli azionamenti a velocità variabile

Motore

ImmunitàEMC

EmissioniEMC

EmissioniEMC

ImmunitàEMC

Alimentazione

Armadio

Tutti gli azionamenti sono sottoposti a diverse sollecitazioniambientali, come l'umidità o i disturbi elettrici. Il motore a gabbiadi scoiattolo è molto compatto e può essere utilizzato incondizioni ostili. Il grado di protezione IP 54 ne garantisce ilfunzionamento in ambienti polverosi, e la capacità di sopportaregetti d'acqua da tutte le direzioni.

Il convertitore di frequenza ha normalmente un grado diprotezione IP 21. Ciò significa che non è possibile toccare leparti in tensione e che la presenza di acqua colante dall'altonon provoca danni. Se è necessario assicurare un grado diprotezione più elevato, è possibile ottenerlo, ad esempio,installando l'azionamento all'interno di un armadio con il gradodi protezione idoneo. In questi casi è fondamentale assicurarsiche la temperatura all'interno dell'armadio non superi i limitiammissibili.

Un'altra caratteristica ambientale importante è la compatibilitàelettromagnetica (EMC). E' molto importante assicurare laconformità dei sistemi di azionamento alle direttive EMCdell'Unione Europea. I sistemi di azionamento compatibili sonoin grado di sopportare disturbi condotti e radiati, e non emettonodisturbi condotti o radiati a danno dell'alimentazione elettrica odell'ambiente circostante.

Per ulteriori informazioni sulle direttive EMC per quanto riguardagli azionamenti, fare riferimento alla Guida Tecnica ABB N. 2,la guida EMC.

Caratteristicheambientali

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

EMC

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

Senzaazionamento in c.a. 97%

Motori in c.a. con e senza azionamento in c.a.

Conazionamento in c.a. 3%

Oltre ai vantaggi di natura tecnica, gli azionamenti in c.a.risultano anche vantaggiosi in termini di costi. Nel presentecapitolo vengono passati in rrassegna tali vantaggi, con unaripartizione tra costi di investimento, di installazione e diesercizio.

Capitolo 6 - Vantaggi economici degli azionamenti in c.a.

Attualmente vengono commercializzati ancora moltissimi motoriprivi di azionamenti in c.a. a velocità variabile. La torta deldiagramma mostra le vendite di motori al di sotto dei 2,2 kWdotati di convertitori di frequenza, a fronte dei motori senzaconvertitori. Solo il 3% dei motori in questa gamma di potenzavenduti 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 potutovedere nella presente guida. E lo sono ancora di più a un attentostudio dei costi relativi agli azionamenti in c.a. a fronte dei metodidi controllo di tipo tradizionale. E' pertanto opportuno procedereinnanzitutto a questo tipo di valuzazione.

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33Guida tecnica N. 4 - Guida agli azionamenti a velocità variabile

Vantaggi economici degli azionamenti in c.a.

La tecnologia degli azionamenti in c.a. è completamente diversada quella di altri metodi di controllo più semplici. Tale differenzapuò essere comparata, ad esempio, a quella che intercorre traun dirigibile e un moderno aeroplano.

Un altro esempio calzante può essere quello dello sviluppotecnologico dai floppy disk ai CD-ROM. Il floppy disk costituisceun supporto di memorizzazione delle informazioni più semplice,ma il suo spazio di memoria è minimo rispetto a quello offertodal CD-ROM.

I vantaggi di entrambe queste innovazioni sono in genere bennoti. Allo stesso modo, la tecnlogia degli azionamenti in c.a. sibasa su una tecnologia radicalmente diversa dai metodi dicontrollo precedenti. All'interno di questa guida abbiamopresentato i vantaggi degli azionamenti in c.a. a fronte di metodidi controllo più semplici.

Differenzetecniche tra altrisistemi e gliazionamentiin c.a.

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

D.O.L.+controllo chiusura

D.O.L.+on/off

Convertitoredi frequenza

Elettronica

Meccanica

Metodi tradizionali Controlloazionamento in c.a.

Ser-ba-toio

Al fine di comparare i costi in modo corretto, è necessariostudiare la configurazione di diversi metodi di controllo. In questocaso abbiamo utilizzato l'esempio di una pompa. I metoditradizionali comprendono sempre elementi meccanici edelementi 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 controlloon/off, sono necessari gli stessi componenti elettrici e unserbatoio a pressione per quanto concerne i componentimeccanici. L'azionamento in c.a. costituisce una soluzioneinnovativa. Non richiede alcun componente meccanico poichéil controllo avviene solo a livello elettrico.

Un altro vantaggio, sempre in termini di costi, è costituito dalfatto che gli azionamenti in c.a. consentono di utilizzare unmotore trifase regolare, molto più economico rispetto ai motorimonofase utilizzati con altri metodi di controllo. Per potenzeinferiori ai 2,2 kW, consentono inoltre di continuare a utilizzareun'alimentazione monofase da 220 V.

Eliminazionedei componentidi regolazionemeccanica

Vantaggi economici degli azionamenti in c.a.

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35Guida tecnica N. 4 - Guida agli azionamenti a velocità variabile

Questo elenco mette a confronto le caratteristiche dei metodidi controllo convenzionali con quelle dell'azionamento in c.a.,e il loro impatto sui costi. Nei metodi tradizionali sono presenticomponenti elettrici e meccanici, che normalmente vannoacquistati separatamente. Solitamente i costi risultano piùelevati che se tutti i componenti potessere essere acquistati inuna volta.

Per di più, i componenti meccanici sono soggetti a maggioreusura. Questo fatto influisce direttamente sui costi dimanutenzione e, nel lungo periodo, la manutenzione costituisceun elemento di spesa considerevole. Nei metodi tradizionalisono presenti anche numerosi componenti elettrici. I costi diinstallazione sono quasi raddoppiati quando sono presentidiversi tipi di componenti anziché uno solo.

Infine, è importante ricordare che il controllo di tipo meccanicoconsuma molta energia, mentre gli azionamenti in c.a.consentono un risparmio energetico. Tale fatto non solocontribuisce alla riduzione dei costi, ma anche a minimizzarel'impatto ambientale riducendo le emissioni degli impiantienergetici.

I fattori cheinfluenzanoi costi

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 meccanici, nessuna usura

- elevato consumo energetico - risparmio energeticodel controllo meccanico

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

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In questo grafico viene presentata la composizionedell'investimento e il prezzo globale per ciascun metodo diregolazione della pompa. Non è stato considerato il costo dellapompa stessa poiché il prezzo di quest'ultima permaneinvariato, indipendentemente dal metodo utilizzato(azionamento in c.a. o valvole). Per quanto concerne i sistemidi controllo chiusura vi sono due possibilità, secondo l'utilizzodella pompa (industriale o domestico). In ambiente industrialei requisiti per le valvole sono più restrittivi, e questo fa lievitarei costi.

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

L'azionamento in c.a., non richiedendo componenti meccanici,comporta una sostanziale riduzione dei costi. I componentimeccanici di per sé sono quasi sempre meno costosi rispettoa un convertitore di frequenza, ma al costo globaledell'investimento vanno aggiunti i componenti elettrici.

Considerando complessivamente tutti i costi, l'azionamento inc.a. risulta quasi sempre l'investimento più economico, a frontedegli altri metodi di controllo. Solo i sistemi di controllo chiusuraper uso domestico hanno un costo inferiore rispettoall'azionamento in c.a. Tuttavia, qui non si parla di costi globali.Occorre infatti aggiungere al costo dell'investimento anche icosti di installazione e di esercizio.

Vantaggi economici degli azionamenti in c.a.

Costi diinvestimento:componentielettrici emeccanici

Il motore

L'azionamento in c.a.

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37Guida tecnica N. 4 - Guida agli azionamenti a velocità variabile

Poiché i sistemi di controllo chiusura costituiscono l'investimentopiù economico dopo l'azionamento in c.a., effettueremo unacomparazione tra questi due sistemi in termini di costi diinstallazione e di servizio. Come già ricordato, i sistemi di controllochiusura richiedono la presenza di componenti elettrici emeccanici e, pertanto, risultano due volte più onerosi in terminidi materiali di installazione.

Inoltre, l'installazione di un sistema di controllo chiusura richiedeil doppio delle ore di lavoro rispetto a quello di una azionamentoin c.a. L'installazione di una valvola di tipo meccanico all'internodi una tubazione non è un'operazione semplice e i tempi diinstallazione sono più lunghi. Perché una valvola di tipo meccanicosia utilizzabile occorrono normalmente cinque ore di lavoro afronte di un'ora per l'installazione di un azionamento in c.a. Perottenere il costo installazione totale occorre moltiplicare questacifra per la paga oraria di un installatore specializzato.

La messa in servizio di un sistema di controllo chiusuranormalmente non richiede più tempo di quella di un sistema conazionamento in c.a. Entrambi i sistemi normalmente richiedonoun'ora di tempo. A questo punto si possono sintetizzare i costiglobali di installazione. Risulta chiaramente che l'azionamentoin c.a. consente un risparmio fino a $ 270 per una singolainstallazione. Così, anche se i costi di investimento del sistemadi chiusura mediante valvole fossero inferiori al prezzo di unmotore monofase (circa $ 200), l'azionamento in c.a.ammortizzerebbe i propri costi ancora prima di essere utilizzato.

Vantaggi economici degli azionamenti in c.a.

Costi diinstallazione:chiusuramediante valvolea fronte degliazionamentiin c.a.

Controllo chiusura Azionamentoin c.a.

Materiale di installazione $ 20 $ 10

Manodopera $ 5h x 65 = $ 1h x 65 =per installazione $ 325 $ 65

Manodopera per $ 1h x 65 = $ 1h x 65 =messa in servizio $ 65 $ 65

Totale $ 410 $ 140

Risparmio a livello di installazione: $ 270!

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

In numerose inchieste ed esperimenti è stato dimostrato chegli azionamenti in c.a. consentono una facile riduzione delconsumo energetico fino al 50%. Questo significa che, laddovei requisiti di potenza con un sistema di controllo chiusurasarebbero di 0,75 kW, con l'azionamento in c.a. si ridurrebberoa 0,37 kW. Se si utilizza una pompa per 4000 ore/anno, unsistema di controllo chiusura richiederebbe 3000 kWh, mentreun sistema con azionamento in c.a. avrebbe un consumo annuodi soli 1500 kWh.

Per calcolare i risparmi è necessario moltiplicare il consumoenergetico 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 ausura e, pertanto, richiedono regolari interventi di manutenzione.E' stato calcolato che, se un sistema di controllo chiusura haun costo di manutenzione annuo pari a $ 40, il costo dimanutenzione di un azionamento in c.a. si riduce a $ 5. Tuttavia,in molti casi i convertitori di frequenza non richiedono alcunamanutenzione.

Pertanto, il risparmio complessivo in termini di costi di esercizioammonterebbe a $ 185, cioè circa la metà del prezzo di unconvertitore di frequenza in questa gamma di potenza. Ciòsignifica che il tempo di ammortamento del convertitore è didue anni. Vale pertanto la pena di considerare che, anzichésobbarcarsi il costo annuo per l'assistenza a una vecchia valvola,sarebbe più conveniente sostituire l'intero sistema con unazionamento in c.a. Il tempo di ammortamento per aggiornareun sistema preesistente di controllo chiusura è di due anni.

Vantaggi economici degli azionamenti in c.a.

Riduzioneconsumi ecosti dimanutenzione

Controllo Azionamento in c.a.chiusura 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

a 0,1 $/kWh

Manutenzione/anno $ 40 $ 5

Costo totale/anno $ 340 $ 155

Risparmio in un anno: $ 185!

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Il diagramma sopra riportato fornisce una visione di insiemedi tutti i costi. Il tempo medio per un calcolo dei costi diesercizio relativamente a investimenti di questo tipo è di 10anni. In questo caso, i costi di esercizio sono stati stimatisecondo i valori attuali calcolando un tasso di interesse del10%.

Nel lungo periodo, il metodo tradizionale risulta due volte piùcostoso rispetto a un convertitore di frequenza. Il risparmioconseguibile con gli azionamenti in c.a. deriva per la maggiorparte dai costi di esercizio, specialmente in termini di risparmioenergetico. Il singolo elemento di risparmio più significativoconsiste nell'installazione, e tale risparmio si realizzaimmediatamente al momento dell'installazione.

Considerando l'importo del costo complessivo, è molto difficilecapire perché solo il 3% dei motori venduti sono dotati diconvertitori di frequenza. Nella presente guida si è cercato diillustrare i vantaggi degli azionamenti in c.a. e di spiegareperché ABB ritiene che questo sia in assoluto il miglior metododi controllo dei processi produttivi.

Vantaggi economici degli azionamenti in c.a.

Comparazionedei costiglobali

39Technical Guide No.4- Guide to Variable Speed Drives

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

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

Capitolo 7 - Indice analitico

dosaggio 10EEMC 31energia 8, 11, 12, 13, 20, 23, 24,29, 35, 38, 39estrusori 9Ffase del motore 12fattore di potenza 14floppy disk 33flusso 12, 13flusso magnetico 12, 13forno di essiccazione 8frantumatore 16frenatura 15, 21frequenza dell’azionamento 29frequenza di stallo 29funzione di stallo 27, 29funzione inversione 27fusibili 34Ggru 10, 15, 17guasti di disturbo 27HHVAC 7Iimpianti energetici 7, 20, 35industria chimica 7induzione elettromagnetica 12, 13inerzia 16, 30ingranaggi 11interferenza 13, 19inverter 12, 13, 22IP 21 31IP 54 31Llaminatoi 9linee di segatrici 9Mmacchina 8, 9, 10, 11, 22, 27macchine per lavorazione di carta 9manutenzione 22, 23, 24, 35, 38mercato degli azionamenti in c.a. 3, 24messa in servizio 37motore a gabbia di scoiattolo 11,18, 22, 31motore in c.a. 11, 12motore in c.c. 11, 22, 24Pperdite a livello del motore 14pompa 10, 22, 23, 34, 36, 38porto 17

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41Guida tecnica N. 4 - Guida agli azionamenti a velocità variabile

potenza attiva 14potenza di ingresso 14potenza di uscita 14potenza meccanica 8, 14potenza reattiva 14processi industriali 5, 6, 7, 11Rraddrizzatore 12rampa a S 28rampa lineare 28reattori 34regola della mano destra 12regolazioni in continuo 13rendimento del motore 14riavviamento in velocità 27, 30rilevatori 10Ssala elettrica 22scorrimento 12, 27, 30sistema di processo 8soffiatori 10, 16software dell’azionamento 29statore 12Ttecnologia elettromagnetica 8tecnologia nucleare 8tecnologia termica 8temperatura 7, 8, 13, 29, 31tensione 12, 13, 14, 22, 25, 29, 30transistori 14trasportatori 10trasporto 10trasporto materiali 6trattamento materiali 6, 8, 9umidità 7Vvalvole 22, 34, 36, 37, 38velocità critica 28velocità di riferimento 28velocità nominale 14ventilatori 7, 8, 10, 16vibrazioni meccaniche 4, 27, 28volano 30VSD 5, 6, 7, 8,13, 21, 22, 23, 24

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

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43Guida tecnica N. 4 - Guida agli azionamenti a velocità variabile

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