Se sei mai stato in spazi industriali, probabilmente hai visto grandi motori funzionare tutto il giorno con una potenza di 50 Hz o 60 Hz, anche quando spingono solo la metà del carico per cui sono progettati. Come fornitore di sistemi di azionamento a frequenza variabile (VFD) trifase, mi viene chiesto continuamente: "Perché dovrei sostituire la mia vecchia configurazione del motore a velocità fissa con un VFD, soprattutto quando funziona solo a carico parziale?" La risposta breve è: quei vecchi motori a velocità fissa sprecano un sacco di energia quando non funzionano a piena capacità e un VFD risolve questo problema. Analizziamo come funziona, senza noioso gergo ingegneristico, solo le cose del mondo reale che ho imparato lavorando per anni con negozi, fabbriche e piccoli team di produzione.
Innanzitutto parliamo delle noiose nozioni di base: i motori a velocità fissa. La maggior parte dei motori industriali sono costruiti per funzionare a un'unica velocità costante in base alla frequenza della linea di alimentazione. Nei luoghi che utilizzano 50 Hz (come Europa, Asia o gran parte dell'Africa), si tratta di 1.500 giri al minuto per un motore a 4 poli e 1.800 giri al minuto nelle regioni a 60 Hz (Nord America, parti del Sud America). Il problema? La maggior parte dei carichi del motore non sono costanti. Pensa a un nastro trasportatore che funziona alla massima velocità solo durante il caricamento dei pezzi o a una pompa che rallenta quando il serbatoio è pieno. Questi sistemi di solito utilizzano una valvola a farfalla, uno smorzatore o anche una frizione meccanica per ridurre la velocità. Ma quell'hardware aggiuntivo spreca solo energia: ogni volta che limiti un flusso con una valvola, crei ulteriore attrito, calore e spreco di energia.
Un VFD, però? Modifica la frequenza della linea di alimentazione per soddisfare esattamente le esigenze del motore. Quindi, se il tuo motore necessita solo della metà della sua velocità massima, il VFD abbassa la frequenza e il motore rallenta senza tutto quello spreco di strozzamento. Ma ecco la cosa che sorprende le persone: questo guadagno di efficienza è molto maggiore quando il motore funziona a carico parziale, non a pieno carico. Lasciatemi spiegare perché.
I motori hanno una cosa chiamata curva di carico: ecco come cambia la loro efficienza al variare del carico. Per la maggior parte dei motori industriali standard, l’efficienza raggiunge il picco intorno al 75-85% del carico nominale completo. Se li esegui con un carico del 50%, l'efficienza diminuisce facilmente del 5-10% e scende al 25% del carico? Stai osservando un successo di efficienza superiore al 20%. Perché? Perché quando il motore lavora meno intensamente, utilizza più potenza solo per superare le proprie perdite interne, come l'attrito nei cuscinetti o la resistenza elettrica negli avvolgimenti. I motori a velocità fissa non possono adattarsi a questo, quindi essenzialmente sprecano potenza quando non vengono spinti al carico di picco.
Un VFD capovolge questo script. Regolando la frequenza, regola anche la tensione inviata al motore, una funzione chiamata controllo Volt per Hertz (V/f) (ne abbiamo di più nelle nostre linee ad alte prestazioni, come la nostraAzionamento a frequenza variabile trifasesistemi). Ciò mantiene stabile il campo magnetico del motore, quindi non deve lavorare di più per mantenere la coppia quando la velocità viene ridotta. Il risultato? Quando il motore funziona a carico parziale, il VFD riduce notevolmente le perdite interne. Uno studio del 2022 del Dipartimento dell'Energia ha rilevato che i ventilatori e le pompe che utilizzano VFD risparmiano il 20-50% sui costi energetici quando funzionano a carico parziale, rispetto a uno studio del 2022 del Dipartimento dell'Energia. Risparmio dello 0-5% con la regolazione a velocità fissa. L'ho visto in prima persona con un impianto di trasformazione alimentare locale che l'anno scorso ha sostituito i motori del trasportatore con i VFD; la loro bolletta energetica per queste linee è diminuita del 32% in 6 mesi e funzionano a piena velocità solo il 15% delle volte.
Aspetta, ma aspetta, non c'è un problema? Anche a me viene chiesto spesso questo. Alcune persone temono che i VFD aggiungano le proprie perdite, giusto? Ogni dispositivo elettronico presenta piccole perdite, solitamente del 2-5% per il VFD stesso. Ma ecco i conti: se il motore funziona al 50% del carico, l'efficienza a velocità fissa è forse dell'80%, l'efficienza totale del sistema (motore più strozzatura) è intorno al 75%. Aggiungi un VFD, l'efficienza del motore sale a circa il 90%, le perdite del VFD sono del 3%, quindi il totale è dell'87%, ovvero un guadagno del 12%. Anche con un carico del 25%, l'efficienza del motore fisso è pari al 65%, la limitazione aggiunge una perdita del 10%, per un totale del 55%. Configurazione VFD: efficienza del motore 82%, perdita VFD 3%, totale 79%: un guadagno del 24%. Questi numeri aumentano rapidamente, soprattutto per le strutture che utilizzano motori 24 ore su 24, 7 giorni su 7.
Ora parliamo dei diversi tipi di VFD, perché non tutti sono costruiti allo stesso modo. NostroAzionamento con inverter da 7,5 Kwè un cavallo di battaglia per applicazioni di piccole e medie dimensioni, come piccole pompe o trasportatori, mentre il nostroConvertitore di frequenza da 50 Hz a 60 Hz trifaseè perfetto per le strutture che devono passare da una regione all'altra o per vecchie apparecchiature che funzionano sulla frequenza sbagliata. Anche se disponi solo di alimentazione monofase, ti offriamo la soluzioneConvertitore di frequenza monofaselinea che si converte in trifase per il tuo motore e il nostroVFD 220v trifaseè una scelta popolare per piccole installazioni commerciali. La chiave di tutto questo è il controllo vettoriale, che è migliore del vecchio controllo V/f per carichi parziali: consente al VFD di regolare la tensione in modo più preciso, quindi l'efficienza del motore rimane elevata anche a velocità molto basse. Questa è una grande differenza rispetto ai VFD economici e senza nome che potrebbero avere un controllo approssimativo e finire per compromettere l'efficienza a bassi carichi.
Un'altra cosa di cui la maggior parte delle persone non parla: come l'efficienza a carico parziale si lega alla durata del motore, il che consente anche di risparmiare denaro. I motori a velocità fissa che funzionano a carico parziale spesso devono far fronte a un calore eccessivo perché sono inefficienti e la limitazione costante può causare stress meccanico su cinghie, valvole e pompe. I VFD consentono al motore di funzionare a una velocità più fluida e costante, riducendo l'usura. Alcuni clienti ci hanno riferito che i costi di manutenzione dei motori sono diminuiti del 25% dopo il passaggio ai VFD, oltre al risparmio energetico. È una doppia vittoria.
Usiamo un esempio reale per renderlo concreto. Supponiamo che tu abbia un motore da 10 HP che fa funzionare una pompa di raffreddamento, 24 ore su 24, 7 giorni su 7, 50 settimane all'anno. Sono 8.760 ore all'anno. Vecchia configurazione a velocità fissa, l'efficienza media al 50% del carico è del 78%. L’elettricità costa $ 0,12 per kWh. Costo energetico annuo: 10HP x 0,746 kW/HP = 7,46 kW. 7,46 kW x 8.760 ore / efficienza 0,78 = ~85.000 kWh all'anno. Costo: ~ $ 10.200. Passando a un VFD, l'efficienza media del motore al 50% del carico è del 90%, la perdita del VFD è del 3%. Energia annuale: 7,46 kW x 8.760 ore / (0,90 * 1,03) = ~70.000 kWh. Costo: ~ $ 8.400. Sono $ 1.800 risparmiati all'anno, per motore. Per una fabbrica con 10 di questi motori? Sono 18.000 dollari all'anno. Moltiplicare per 5 anni? Sono $ 90.000, sufficienti per acquistare una configurazione VFD completamente nuova e avere ancora soldi.
Ora, c'è un momento in cui un VFD non vale la pena? Sicuro. Se il tuo motore funziona al 100% del carico per il 100% del tempo, come un azionamento principale per un processo critico che non rallenta mai, non vedrai molto guadagno. Ma è molto raro. La maggior parte dei motori industriali funziona a carico parziale per almeno una parte del ciclo, a volte per molto. Ho visto negozi in cui i carichi dei motori principali sono in media solo del 30-40%, quindi i risparmi sono ancora maggiori.
Il grande asporto qui? Quando si tratta di efficienza del motore a carichi parziali, un convertitore di frequenza trifase non è solo un bell'aggiornamento: è uno degli investimenti energetici più convenienti che si possano fare. Risolve gli sprechi derivanti dalla limitazione a velocità fissa, aumenta l'efficienza del motore esattamente quando ne hai bisogno e riduce anche i costi di manutenzione. Se sei stanco di buttare via soldi in bollette energetiche per motori che lavorano solo la metà del loro potenziale, o sei curioso di sapere quale VFD si adatta alla tua configurazione, che si tratti di un piccoloAzionamento con inverter da 7,5 Kwo uno più grandeAzionamento a frequenza variabile trifaseper tutta la tua struttura, sono qui per aiutarti. Contatta il nostro team per parlare delle tue esigenze, senza pressioni, solo per parlare direttamente di come i VFD possono farti risparmiare denaro.
Riferimenti
- Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, "Azionamenti a frequenza variabile per sistemi di pompe e ventilatori", 2022.
- Costruzione e manutenzione elettrica, "Come i VFD migliorano l'efficienza del motore a carico parziale", 2021.
- Commissione Elettrotecnica Internazionale, “Classi di efficienza per macchine elettriche rotanti”, 2020.