— GUIDA APPLIC ATIVA

ACH580Tecnologie motore alternative per la climatizzazione

2 G U I DA A PPLI C ATI VA ACH 5 8 0 TECN O LO G IE M OTO R E A LTER N ATI V E PER L A CL I M ATIZ Z A ZI O N E

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— Sommario

4 Lasceltagiustapaga

5 Regolamentienormeper l’efficienzaenergetica

6 Efficienzaenergeticadiazionamentiesistemi

7 – 9  Compatibilitàcondiversitipidimotori

10 Massimaefficienzaconipacchettimotore/azionamento

11 Requisitioltrelasempliceefficienzanellaclimatizzazione

4 GUIDAAPPLICATIVAACH580TECN O LO G I E M OTO R E A LTER N ATI V E PER L A CL I M ATIZ Z A ZI O N E

— Lasceltagiustapaga

Esistono moltissime tipologie di motori per impianti HVAC ed è importante fare la scelta più adatta per il proprio impianto. I motori a induzione e il convertitore di frequenza ACH580 offrono una combinazione affidabile, poiché i motori a induzione vengono impiegati in molte applicazioni HVAC in ambito industriale e negli ambienti più svariati. I convertitori di frequenza ACH580 si abbinano perfettamente a questo tipo di motore, fornendo funzionalità complete unite a una grande facilità di utilizzo. I motori IE4 e i nostri convertitori di frequenza a velocità variabile (VSD) sono una piattaforma perfetta per l’efficienza energetica, offrendo nel contempo funzionalità come il superamento della velocità nominale del motore quando serve massima potenza. La spinta verso livelli di efficienza sempre maggiori sta rivoluzionando la tecnologia dei motori. Questa guida applicativa aiuta a comprendere le differenze fra le varie tecnologie e come queste rispondono alle esigenze delle applicazioni HVAC.

Vantaggi• Tecnologia collaudata e affidabile per anni

di esercizio senza problemi• ABB offre una rete estesa di assistenza e

fornitura ricambi• Pacchetti motore-azionamento progettati

e specificati per essere ‘idonei’ a un’ampia gamma di applicazioni HVAC.

—Figura 01. Motori IEC in bassa tensione, da 0,09 a 1.000 kW, con taglie di telaio da 56 a 450

—Figura 01.

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— Regolamentienormativeperl’efficienzaenergetica

Attualmente assistiamo a un continuo aumento degli investimenti nell’evoluzione dei motori elettrici, per raggiungere nuovi livelli di efficienza e riduzioni consistenti dei consumi energetici, anche in condizioni gravose. I motori elettrici svolgono un ruolo chiave nel lavoro e nella vita quotidiana. Essi infatti muovono tutto ciò che serve per lavorare o divertirsi. Tutti i motori funzionano con la corrente elettrica: il 28-30 percento di tutta l’energia elettrica viene convertita in energia meccanica nei motori elettrici. Per fornire coppia e velocità, i motori hanno bisogno di una quantità corrispondente di energia elettrica. La velocità di un motore deve corrispondere esattamente al fabbisogno del processo per evitare sprechi di energia.

Utilizzando motori più efficienti è possibile ridurre drasticamente i consumi energetici e le emissioni di anidride carbonica. I governi hanno così promosso l’adozione della normativa MEPS (Minimum Energy Performance Standards), impostando livelli minimi obbligatori di efficienza per i motori elettrici in bassa tensione.

La normativa MEPS è già vigente in molte regioni, ma è ancora in evoluzione e potrebbe svilupparsi in modo differente in termini di portata e requisiti.

Altri Paesi stanno programmando l’adozione di norme MEPS proprie e altri ancora (USA, Cina, UE) puntano a implementare MEPS anche per i motori in alta tensione.

La Commissione Europea ha rilasciato i regolamenti Ecodesign per emendare la normativa MEPS dell’UE, in particolare EU327/2011 (per ventilatori da 125 W a 500 kW) ed EU547/2012 (per pompe). Questi regolamenti dovrebbero garantire una movimentazione più efficiente dell’acqua e dell’aria e costringere i costruttori di pompe e ventilatori a fornire soluzioni progettate per rispettare i livelli di efficienza minimi definiti.

Sia clienti sia fornitori devono assicurarsi che la loro attività rispetti le regole vigenti. La tabella seguente riassume i regolamenti e le normative esistenti. I regolamenti sono definiti dalla Commissione Europea e dai governi nazionali e fanno parte della legislazione ufficiale. Essi costituiscono il perimetro in cui si inquadra l’attività d’impresa in un determinato Paese e fissano i requisiti minimi di efficienza. Le normative specificano le classi di efficienza, in particolare per motori collegati direttamente alla rete (DOL), azionamenti (CDM) e pacchetti motore/azionamento (PDS).

Direttiva Eco--Design 2009/125/CEDefinire un quadro per la definizione dei requisiti di eco-design per prodotti energetici

Pompe per acquaRegolamento Commissione (UE) N° 547/2012 del 25 giugno 2012

Ventilatori industrialiRegolamento Commissione (UE) N° 327/2011 del 30 marzo 2011

CompressoriRegolamento Commissione (UE)Lavori in corso

Motori elettriciRegolamento Commissione (UE) N° 640/2009 del 22 luglio 2009 emendato dal Regolamento Commissione (UE) N° 4/2014 del 6 gennaio 2014

Convertitori di frequenza e azionamenti di potenzaRegolamento Commissione (UE)Aperto

ISO 1217:2009 Compressori volumetrici – Prove di accettazione

IEC 60034-30-1 Macchine elettriche rotanti

Parte 30-1: Classi di efficienza dei motori in corrente alternata azionati da rete (codice IE)

EN 50598-2 Ecodesign di convertitori di frequenza e sistemi di alimentazione, avviatori di motori, elettronica di potenza e relative applicazioni

Parte 2: Indicatori di efficienza energetica per azionamenti di potenza e avviatori di motori

IEC 60034-30-2 Macchine elettriche rotanti Parte 30-2: Classi di efficienza dei motori in corrente alternata azionati da convertitore

Lavoro avviato

EN 50598-1 Ecodesign di convertitori di frequenza e sistemi di alimentazione, avviatori di motori, elettronica di potenza e relative applicazioni

Part 1: Requisiti generali per impostare standard di efficienza energetica per apparecchiature di potenza utilizzando un approccio esteso al prodotto (EPA) e un modello semianalitico (SAM)

IEC 61800-9-1 e -2 (50598-2) “Ecodesign di convertitori di frequenza e sistemi di alimentazione, avviatori di motori, elettronica di potenza e relative applicazioni”Lavori in corso

Normativepericlienti

Norm

ativeReg

olam

entiCommissio

ne

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Aumentarel’efficienzadegliazionamentiQuasi il 70 percento dell’energia elettrica industriale va ad alimentare motori elettrici. Questi motori sono i “cavalli da tiro” delle aziende, dalle pompe che movimentano liquidi ai ventilatori che spostano aria, fino a compressori, trasportatori e qualsiasi tipo di macchinario che sfrutta la forza di rotazione per svolgere le proprie mansioni.

Questi motori sono fondamentali per aiutare a ridurre i consumi energetici e le emissioni di CO2, nonché per individuare soluzioni con una maggiore efficienza energetica per i propri clienti. A questo scopo abbiamo sviluppato un’ampia gamma di azionamenti in corrente alternata (AC) in bassa e media tensione e una famiglia di azionamenti in corrente continua (DC). I drive (convertitori di frequenza a velocità variabile o a frequenza variabile) sono progettati per azionare i motori in base al fabbisogno effettivo dei processi invece di farli girare sempre a pieno regime e ridurre la potenza in uscita mediante dispositivi meccanici quali strozzatori, ammortizzatori o ingranaggi.

Per ottenere la massima efficienza dall’impianto, è importante tenere in considerazione anche i diversi tipi di motori. Combinando il convertitore di frequenza con un motore idoneo si aumentano ulteriormente i livelli di efficienza, ottenendo maggiori risparmi di energia e denaro.

MaggioreefficienzaconlaclasseIELa Commissione Europea ha rilasciato la normativa EN 50598 che definisce le classi IE per i moduli di azionamento completi (CDM) e le nuove classi IES per azionamenti di potenza (PDS). La normativa si applica a drive e a pacchetti drive/motore con tensione comprese fra 100 e 1000 V e potenze fino a 1000 kW.

La EN 50598-1 fa riferimento al modulo di drive completo (CDM), imponendo al costruttore di fornire informazioni sulle dispersioni a diversi regimi. La classe IE viene definita in base al livello di regime nominale. Per il cliente non è molto rilevante la classe IE del CDM, perché il drive e il motore devono essere testati congiuntamente per ottenere risultati attendibili per l’intero sistema.

EfficienzadelpacchettoconlaclasseIESLe normative EN50598-1 e IEC61800-9-2 definiscono le classi di efficienza per sistemi drive/motore e consentono di confrontare diversi pacchetti drive/motore. Il modo migliore per comparare le efficienze totali è valutare combinazioni specifiche di drive/motore nei punti operativi in cui il sistema applicativo sarà in funzione.

EfficienzadiprodottoestesaEN 50598-2 defines energy efficiency indicators (“IE” and “IES”) for the complete drive module (CDM) and the combination of the CDM and motor to form a “power drive system” or PDS. The standard includes methodology to determine the CDM and PDS losses, assigning the IE and IES values. This standard applies to motor driven equipment from 0.12 to 1,000 kW (100 to 1,000 V).

— Efficienzaenergeticadiazionamentiesistemi

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— Compatibilitàcondiversitipidimotori

Attualmente sono disponibili molti tipi di motori elettrici per applicazioni HVAC in ambito commerciale, pertanto l’offerta deve essere valutata attentamente per ottenere i risultati migliori. Tutte le tipologie di motori hanno vantaggi e svantaggi, che devono essere valutati alla luce dei requisiti della specifica applicazione HVAC. È opportuno analizzare nel dettaglio le diverse tecnologie motore, perché la scelta del motore giusto è il primo passo per risparmiare energia e ridurre i costi a lungo termine.

MotoriainduzioneI motori a induzione sono molto diffusi in ambito industriale in virtù della loro potenza ed efficienza. Grazie all’assenza di commutatori o spazzole sono anche affidabili e relativamente esenti da manutenzione; inoltre i costruttori sono costantemente impegnati ad aumentarne l’efficienza. Questi motori presentano tuttavia alcuni svantaggi. La velocità asincrona produce dispersioni del conduttore nel rotore che incidono negativamente sull’efficienza, generano più calore e surriscaldano i cuscinetti accorciandone la durata.

MotoriamagnetipermanentiLa struttura dei motori a magneti permanenti (PM) si basa sui normali motori a induzione. Il rotore viene magnetizzato utilizzando magneti permanente montati sulla superficie del rotore o incorporati al suo interno. Il motore PM è sincrono, cioè il rotore gira in modo sincronizzato con il campo magnetico. Questi motori possono semplificare gli azionamenti eliminando efficacemente il bisogno di dispositivi per la riduzione della velocità e offrendo un controllo più preciso della velocità stessa. Sono progettati esclusivamente per l’alimentazione tramite convertitori di frequenza, laddove offrono velocità ad alta precisione senza bisogno di sensori di velocità, poiché si tratta di motori sincroni non soggetti a slittamento del rotore. Inoltre, i motori PM non generano la stessa quantità di calore dei motori a induzione, contenendo la temperatura di rotore/cuscinetti e assicurando quindi un isolamento più duraturo e una maggiore durata dei cuscinetti. I motori PM generano una coppia maggiore a parità di dimensioni, o una coppia equivalente con un pacchetto più piccolo.

Tuttavia, l’uso di terre rare comporta costi elevati soggetti a forti oscillazioni. Inoltre, l’intenso campo magnetico del rotore può rendere più difficile l’assistenza, attività fondamentale per un motore

industriale. Un altro svantaggio è la generazione di tensioni potenzialmente pericolose sui morsetti del motore a causa della libertà di movimento dell’albero motore. Questo problema è particolarmente critico nelle applicazioni di ventilazione.

Motorisincroniariluttanza(SynRM)I motori SynRM, in combinazione con la moderna elettronica di controllo dei convertitori di frequenza a velocità variabile, consente di sfruttare pienamente queste macchine elettriche super-efficienti. Nei SynRM, il rotore è progettato per generare la minima riluttanza magnetica possibile (cioè la resistenza al flusso di un campo magnetico) in una direzione e la resistenza massima nella direzione perpendicolare. Il rotore gira con la stessa frequenza del campo dello statore (come nei motori a magneti permanenti).

I SynRM hanno prestazioni migliori rispetto ai motori a induzione tradizionali. Possono essere progettati per prestazioni ad alta efficienza o per offrire una densità di potenza superiore con un ingombro inferiore a un motore a induzione equivalente. Richiedono meno manutenzione, hanno un’inerzia ridotta e sono estremamente affidabili. Grazie all’assenza di magneti e gabbia, la costruzione del rotore è più semplice rispetto ai motori a induzione e magneti permanenti. La temperatura di esercizio ridotta dei SynRM offre diversi vantaggi, fra cui una maggiore durata dell’isolamento e intervalli più lunghi per la lubrificazione dei cuscinetti lungo tutto l’arco di vita del prodotto, evitando possibili arresti del motore.

L’hardware dei motori SynRM di ABB è identico ai corrispondenti motori a induzione di ABB. Cambia solo il rotore, semplificando la fornitura di ricambi e la manutenzione. Inoltre, è facile sostituire un motore a induzione con un SynRM. L’evoluzione dell’efficienza dei motori SynRM di ABB ha avuto una forte accelerazione negli ultimi tempi, superando le attuali classi di efficienza IE. Mentre l’UE richiede una classe minima IE3, ABB ha già a catalogo motori SynRM IE4. Le potenzialità dei SynRM non sono ancora state sfruttate pienamente e sono quindi raggiungibili livelli di efficienza superiori.

MotorisincroniariluttanzaassistitaABB ha cominciato già nel 2014 a lavorare all’evoluzione della gamma di prodotti SynRM, presentando alla Fiera di Hannover un modello

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da 15 kW con altezza dell’albero IEC di 160 mm (“SH160”), primo esempio di una tecnologia in classe “IE5”.

Una caratteristica esclusiva di questo motore è l’utilizzo di magneti di ferrite (ossido di ferro, Fe2O3), generalmente più economici e più facilmente reperibili dei magneti permanenti a terre rare. Il loro utilizzo consente di realizzare prodotti più economici ed ecosostenibili. Le ferriti non sono mai state utilizzate in passato in applicazioni con motori in bassa tensione, ma in ambito industriale un semplice motore a ferrite non è in grado di competere con un motore a induzione. Un motore deve avere una riluttanza dominante, assistita da magneti di ferrite, per essere sufficientemente robusto. Con la rapida evoluzione e la crescente intelligenza dei VSD, sarà possibile controllare e sfruttare appieno questi motori, come avviene per i SynRM. Questi motori sono progettati per i clienti che cercano livelli sempre più elevati di efficienza e densità di potenza. Inoltre, con fattori di potenza pari ai motori a magneti permanenti ed eccellenti proprietà di indebolimento del campo, consentiranno di realizzare nuovi pacchetti motore/azionamento più compatti. ABB sta sviluppando una gamma da 0,55 a 18,5 kW rivolta ad esempio al mercato della climatizzazione (HVAC).

Motoriacommutazioneelettronica(ECM)Questi motori sono solitamente combinazioni altamente integrate di convertitore di frequenza e motore. Il motore è spesso un motore sincrono a ferrite, mentre a volte vengono utilizzati altri materiali magnetici. Ha caratteristiche simili al motore a magneti permanenti, poiché il rotore gira alla stessa velocità del campo magnetico. Le differenze più sostanziali derivano dalla stretta integrazione dell’elettronica del convertitore di frequenza con il motore. La modulazione dell’azionamento e la corrente di uscita dell’inverter sono ottimizzate per il motore, ottenendo un pacchetto più compatto.

Questo significato che l’intera unità deve essere sostituita in caso di guasto, che si tratti del cuscinetto, del condensatore, dell’isolamento del motore o del transistor bipolare a gate isolato (IGBT). Ogni pacchetto si basa su un progetto specifico dell’azienda produttrice, pertanto la fornitura di ricambi può richiedere tempo. Inoltre, l’inverter viene progettato normalmente nell’ottica del contenimento dei costi, pertanto le prestazioni sono più scadenti, con picchi e cadute della tensione di alimentazioni, forte presenza di armoniche nella rete di alimentazione e assenza di funzionalità specifiche per applicazioni HVAC, ad esempio comunicazione BACnet e funzione Override.

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Applicazioni

Tutte le applicazioni industriali come pompe, ventilatori, compressori, trasportatori, estrusori, argani, gru

Gran parte delle appli-cazioni industriali fra cui pompe, ventilatori, compressori, traspor-tatori, estrusori

Verificare la disponibilità del controllo

Ideale per applicazioni che richiedono la massima efficienza

Verificare la disponibilità del controllo

Gran parte delle applicazioni dove è importante un’efficienza elevata

Verificare la disponibilità del controllo

Pompe, ventilatori

Vantaggi

- Tecnologia conosciuta, robusta e collaudata

- Manutenzione semplice

- Efficienza e affidabilità elevate

- Densità di potenza maggiore

- Motore freddo- Temperatura inferiore

e maggiore durata dei cuscinetti

- Rotore senza gabbia- Assenza di magneti,

può essere controllato senza encoder

- Soluzione economica

- Massima classe di efficienza

- Fattore di potenza elevato e basso fabbisogno di corrente

- Le ferriti sono meno costose dei magneti permanenti a terre rare

- Notevole potenziale di risparmio energetico

- I magneti permanenti riducono le dispersioni del rotore e aumentano l’efficienza del motore

- Motore compatto- Bassa rumorosità- Bassa temperatura

dei cuscinetti

- Pacchetto unico con tutto integrato

- Veloce da installare in quanto richiede solo potenza e riferimento o connessione Modbus

- Installazione EMC-compatibile

Svantaggi

- Difficile raggiungere i livelli di efficienza massimi

- Temperatura del cuscinetto superiore agli altri

Fattore di potenza minore e fabbisogno di corrente maggiore potrebbero incidere sulle dimensioni del drive (non visibile sul lato rete)

- Genera tensione sui morsetti senza albero bloccato

- Per la manutenzione l’installatore deve sapere che l’albero non può ruotare, a causa del flusso d’aria nella conduttura

- Magneti permanenti a terre rare costosi

- Genera tensione pericolosa sui morsetti senza albero bloccato

- Per la manutenzione l’installatore deve sapere che l’albero non può ruotare, a causa del flusso d’aria nella conduttura

- Nessuna funzionalità specifica per l’applicazione

- Prestazioni in sottotensione limitate con cali di tensione

- Armoniche elevate (tipicamente simili a VSD senza soppressore)

- Scorte a magazzino limitate, tempi di consegna più lunghi

- La mancanza di supporto BACnet rende più difficile l’integrazione con sistemi di domotica (solo supporto Modbus RTU)

Manutenzione

- Facile- Nessuna forza

magnetica- Collaudo effettuabile

con collegamento diretto alla rete (DOL)

- Reperibile ovunque

- Facile- Nessuna forza

magnetica- Il collaudo richiede

un azionamento

- Facile- Forze magnetiche

contenute- Magneti integrati,

non soggetti a danneggiamento quando si smonta il rotore

- Il collaudo richiede un azionamento

- Difficile- Forze magnetiche

intense- L’estrazione del

rotore dallo statore è complicata e richiede attrezzi speciali

- Rischio di danneggiamento per i magneti montati in superficie

- Il collaudo richiede un azionamento

- In caso d guasto di qualsiasi componente (cuscinetti, semiconduttori, condensatori, isolamento motore ecc.), è necessario sostituire l’intera unità

- Scorte a magazzino limitate, tempi di consegna più lunghi

MotoreainduzioneMotoresincronoariluttanza

Motoresincronoariluttanzaassistita

Motoreamagnetipermanenti

Motoriacommutazioneelettronica(ECM)

Gammadipotenzatipica

Ampia gamma di potenze

IE4 SynRM 5,5 - 315 kW (ABB)

Fascia 0,55 - 18,5 kW (ABB)

Ampia gamma di potenze (variabile secondo il costruttore)

0,05 - 15 kW

Gammadiefficienzatipica

Fino a IE3, disponibili alcuni modelli IE4

Fino a IE4 Fino a IE5 Fino a IE4 Tipicamente fra IE3-IE4

VelocitàoltreFWP

Fino a 2x velocità nominale

1,4x velocità nominale o superiore

Fino a 1,5-2x velocità nominale

Fino a 1,2x velocità nominale

Gamma di velocità definita da meccanica integrata

DOL/VSD DOL e VSD VSD, richiesto speciale software di controllo

VSD, richiesto speciale software di controllo

VSD, richiesto speciale software di controllo

Richiesto VSD integrato per controllo di velocità

TelaioIECrispettoainduzioneIE2

IE3 e IE4 tipicamente più grandi

Uguale o più piccolo Uguale o più piccolo Uguale o più piccolo Tipicamente più corto con diametro più ampio, su misura per la parte meccanica

10 G U I DA A PPLI C ATI VA ACH 5 8 0 TECN O LO G IE M OTO R E A LTER N ATI V E PER L A CL I M ATIZ Z A ZI O N E

— Massimaefficienzaconipacchettimotore/azionamento

Ogni soluzione tecnica alle configurazioni di sistema offre benefici e svantaggi. Per raggiungere un’efficienza ottimale dell’intero sistema, l’efficienza dei singoli componenti deve essere ottimizzata in modo da non causare maggiori dispersioni ad altri componenti presenti nel sistema. Selezionando la migliore combinazione di singoli componenti si garantisce la massima efficienza del sistema. L’efficienza complessiva del sistema, o pacchetto, in tutti i suoi componenti, è l’elemento più importante. Nel caso di un’unità di movimentazione dell’aria, handling unit, it is the power taken from the network to drive the motor to mechanical load to the motor/drive coil efficiency to the airflow and pressure itself.

ɳsystem = ɳdrive ∙ ɳmotor ∙ ɳcoupling ∙ ɳfan ∙ ɳcoil

A questo scopo è necessario effettuare un collaudo e avere le informazioni e la libertà per scegliere la combinazione di apparecchiature che offre le prestazioni migliori. La massima efficienza totale viene ottenuta usando i migliori componenti in combinazioni verificate.

—Figura 02.L’efficienza indicativa del pacchetto azionamento/motore viene misurata con un inverter identico a 15 kW di potenza abbinato a quattro diversi motori.

—Figura 02.

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— Requisitioltrelasempliceefficienzanellaclimatizzazione

La sola efficienza non soddisfa tutti i requisiti delle applicazioni. I clienti devono tenere conto dell’integrazione dei loro componenti in altri impianti e sistemi, sia esistenti sia nuovi. Tubazioni e condutture possono costituire vincoli non previsti nel progetto iniziale. Le combinazioni di motori e azionamenti di taglia IEC possono essere inserite in impianti esistenti offrendo all’utilizzatore e al progettisti la flessibilità necessaria per correggere problemi imprevisti di “effetti sistemici” in condutture e tubazioni. Per quanto riguarda le tubazioni esistenti, è fondamentale poter generare una pressione statica sufficiente; i tradizionali pacchetti motore/azionamento sono in grado di soddisfare i criteri di progettazione richiesti e i requisiti di pressione senza sovradimensionare il sistema.

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