Motori ad alta efficienza e controllo a velocità variabile

Un motore elettrico è un dispositivo che, ricevendo in input una potenza di tipo elettrico, restituisce in output una potenza meccanica. Sono utilizzati per un’ampia varietà di applicazioni: aria compressa, acqua, ventilazione, raffreddamento e trasporto di materiali.

I motori elettrici possono essere classificati come monofase o trifase. I primi hanno per lo più potenze inferiori al kW e sono del tipo ad induzione per applicazioni tipiche come ventilatori, piccole pompe, compressori, macchine agricole e apparecchi commerciali; i motori trifase sono invece disponibili per potenze superiori e sono generalmente di tipo asincrono.

Il 75% dell’energia elettrica consumata nel settore industriale è utilizzata per alimentare motori elettrici: è pertanto di primaria importanza, anche dal punto di vista dell’efficienza energetica, conoscere il rendimento di un motore elettrico. Questi sono classificati secondo classi di rendimento energetico “IE”, stabilite dalla norma internazionale IEC 60034-30:2008. Il recepimento europeo fissa delle scadenze temporali per le quali possono essere immessi sul mercato motori elettrici aventi classe di efficienza almeno pari a quella prevista dalla normativa. Il regolamento 640/2009/CE, adottato il 22 luglio 2009, stabilisce che dal 16 giugno 2011 i motori immessi sul mercato devono avere classe di efficienza IE2, dal 1 Gennaio 2015 i motori con potenza tra 7,5 e 375 kW devono essere in classe di efficienza IE3 oppure IE2 se accoppiati ad inverter e dal 1 Gennaio 2017 i motori con potenza tra 0,75 e 375 kW devono essere in classe di efficienza IE3 oppure IE2 se accoppiati ad inverter.

motori elettrici

A tali classi corrispondono dei valori di rendimento che sono funzione della potenza del motore elettrico:

motori elettrici 2

Le perdite in un motore elettrico, che vanno a influenzare il rendimento possono essere di tre tipi:

  • perdite meccaniche, dovute all’attrito nei cuscinetti e nelle spazzole
  • perdite nel ferro a vuoto, proporzionali al quadrato della tensione e dovute ad isteresi (energia dispersa nei cambi di direzione del flusso) e a correnti parassite
  • perdite per effetto Joule, proporzionali al quadrato della corrente e alla resistenza dei conduttori

Oltre a questi valori di targa, l’efficienza energetica di un motore elettrico può dipendere da altri fattori quali la presenza di sistemi di controllo della velocità del motore, la qualità dell’alimentazione, un corretto dimensionamento, eventuali perdite di distribuzione e corretta manutenzione.

Nei motori elettrici ad alta efficienza, le perdite sopra descritte vengono ridotte migliorando i materiali utilizzati per la realizzazione o prevedendo particolari accorgimenti costruttivi. Oltre ad avere rendimenti più elevati dei motori tradizionali a parità di potenza, presentano una curva di rendimento più piatta al variare del carico, in modo da garantire valori di efficienza elevati anche in presenza di variazioni di carico:

curva di rendimento

Figura 1. Curva di rendimento di un motore elettrico al variare del carico

Per valutare la convenienza dell’adozione di motori elettrici ad alta efficienza, oggi disponibili (per migliori materiali e migliori lavorazioni degli stessi), occorre distinguere i casi di acquisto ex-novo di un motore e di sostituzione di un dispositivo esistente. Nel primo caso, la convenienza nell’adozione di motori ad alta efficienza si ha già dalle 1.300 ore di funzionamento anno per potenze inferiori ai 10MW (il costo di vita di un motore è dovuto per il 98% all’acquisto di energia elettrica e solo per il 2% ad acquisto e manutenzione). Il secondo caso, può essere ulteriormente suddiviso a seconda che la sostituzione avvenga per rottura, per convenienza e confrontandosi con la possibilità di operare un riavvolgimento. In merito alle possibilità appena citate, per la valutazione dei tempi di ritorno e dei risparmi energetici conseguenti gli investimenti per l’acquisto di motori elettrici ad alata efficienza e con inverter, è opportuno menzionare l’intervento dell’ing. Vignati di ENEA al Convegno FIRE presso Ricicla Energia (2002). Attualmente, ENEA, in collaborazione con Macchine Rotanti di ANIE Energie, ha creato un portale che riguarda i motori elettrici sotto diversi aspetti: dalle caratteristiche tecniche dei motori a norma CE alla legislazione che ne regola l’utilizzo.

Un motore elettrico da 15 kW, ha un costo di acquisto di circa 520€, ed un costo di esercizio in dieci anni, considerando 3.500 ore anno e un costo dell’energia elettrica di 7 c€/kWh, di circa 32.000 €: quasi 60 volte il costo iniziale!

Controllo a velocità variabile

L’inverter è un dispositivo che permette di modulare la frequenza di alimentazione di un motore elettrico (e quindi la sua velocità) in funzione delle effettive esigenze del carico.

Poiché la velocità di sincronismo di un motore è direttamente proporzionale alla frequenza della corrente di alimentazione, è sufficiente variare quest’ultima per poter modificare la velocità di rotazione del motore; diminuire la velocità di un motore elettrico e della macchina ad esso collegata comporta una riduzione dei consumi elettrici.

La regolazione di motori elettrici operanti su sistemi di pompaggio è necessaria quando si vuole modificare la quantità di liquido in ingresso alla macchina. L’inverter permette di regolare la velocità di rotazione del motore elettrico senza introdurre perdite di energia, al contrario della regolazione per strozzamento, utilizzata in sistemi meno tecnologici, la quale introduce una perdita di carico per ridurre la portata di circolazione, riducendo al contempo anche l’efficienza del sistema.

L’inverter invece, agendo sulla velocità di rotazione della macchina, modifica la curva caratteristica della pompa facendola coincidere con quella desiderata mediante lo spostamento del punto di funzionamento:

inverter

Figura 2. Curva caratteristica di una pompa con inverter

Oltre alla riduzione dell’energia elettrica consumata, in funzione della caratteristica della coppia, ed alle minori emissioni di rumore dell’intero sistema, l’inserimento di un inverter comporta una significativa riduzione dell’usura dei componenti.

Sistema di pompaggio di potenza pari a 20 kW, che funzioni su due turni lavorativi (4.000 ore/anno), con un costo dell’energia elettrica pari a 0,1 €/kWhe per un periodo di studio di 12 anni.

Utilizzando una valvola di strozzamento per la regolazione della portata si ottiene un costo del ciclo di vita pari a 76.300 €, mentre utilizzando un inverter questo valore scende a 42.600 €; ciò si traduce in un risparmio netto attualizzato sul ciclo di vita (Net Savings) di 33.700 €, con un tempo di ritorno di poco superiore ad un anno!

 

 

Sei un socio? Effettua il login per visualizzare il contenuto