Azionamenti ULH, come superare la sfida delle armoniche
(Rinnovabili.it) – L’Agenzia internazionale per l’energia parla chiaro: i motori elettrici e i sistemi che questi azionano rappresentano la più grande fetta di utilizzo dell’elettricità a livello mondiale, consumando più del doppio del settore dell’illuminazione. Una quota che supera abbondantemente il 40% della domanda globale, associandosi al rilascio di circa 6.040 Mt di emissioni di CO2 (dati IEA). Ma proprio lì dove si registrano importanti consumi, si trovano anche grandi opportunità di risparmio. Opportunità che la stessa IEA quantifica in circa il 25% sull’elettricità impiegata complessivamente. Come ottenerli? Per impianti che funzionano per lo più in condizioni di carico parziale – come ventilatori, pompe e compressori o applicazioni HVAC (riscaldamento, ventilazione e condizionamento dell’aria) più complesse – una soluzione è offerta dai Variable Speed Drive-VSD, letteralmente “azionamenti a velocità variabile“.
Attraverso la variazione della frequenza e la tensione di ingresso, questi sistemi regolano la velocità dei motori in base al fabbisogno effettivo del processo; e in tal modo contribuiscono a risparmiare grandi quantità di energia richieste dal processo. La giusta combinazione tra motore ad alta efficienza e azionamenti può garantire un taglio dei consumi anche fino al 60%.
C’è chi su questa tecnologia sta lavorando da oltre 40 anni e oggi può contare su una gamma di soluzioni fortemente innovative, intelligenti e ottimizzate. Parliamo di ABB, multinazionale attiva nei settori della robotica, dell’energia e dell’automazione e da ben 4 decenni in prima linea nel settore delle tecnologie digitali. L’impegno della società nel migliorare l’efficienza energetica nel settore industriale e residenziale ha numeri precisi: solo nel 2020 i suoi motori e i suoi drive hanno consentito un risparmio di 198 TWh di elettricità. Un dato che equivale alla metà del consumo annuo del Regno Unito.
La power quality e le armoniche di rete
Tuttavia il risparmio non è tutto. Con l’elettronica di potenza vi è un altro aspetto che non può essere ignorato: la cosiddetta “Power Quality”, ossia la qualità dell’energia fornita ai carichi. Generalmente qualunque dispositivo vari la frequenza e/o la tensione d’ingresso rispetto alle condizioni nominali – come illuminazione a LED, gruppi di continuità, computer e, per l’appunto, gli azionamenti elettrici – ha un impatto sulla qualità dell’energia. Questi elementi generano quelle che in gergo sono chiamate armoniche, disturbi elettromagnetici che alterano la tipica forma d’onda dell’alimentazione elettrica. La conseguenza pratica? “L’energia si sporca” aumentando il rischio che si verifichino una serie di disservizi e malfunzionamenti come cali di tensione, transitori elettrici, sovratensioni, guasti delle apparecchiature ecc. E costringendo spesso ad un sovradimensionamento dei sistemi per poter mitigare gli effetti del contenuto armonico immesso in rete.
Come accade con altri carichi non lineari, anche gli azionamenti generano armoniche nella linea di potenza. Se il contenuto armonico supera certi limiti, possono avere effetti avversi sulla rete e sulle apparecchiature collegate, rendendo necessario un attento studio in fase progettuale per valutarne gli effetti e le conseguenze sull’impianto.
È qui che entrano in gioco gli azionamenti a bassissimo contenuto armonico (Ultra Low Harmonic – ULH) con front-end attivo (AFE) di ABB. La soluzione garantisce la minima distorsione armonica attraverso un prodotto compatto, integrato e ad alte prestazioni in tutte le condizioni di carico.
Anatomia di un azionamento
Per comprenderne le potenzialità è necessario fare qualche passo indietro, partendo dalla struttura degli azionamenti. All’interno dell’apparecchio l’energia passa dapprima attraverso un raddrizzatore a diodi che converte la potenza c.a. in entrata in potenza c.c. Quindi i condensatori “levigano” la forma d’onda elettrica. Nella fase successiva un inverter dotato di transistor bipolari a gate isolato (IGBT) riconverte la potenza c.c. in ingresso in potenza c.a. prima che l’elettricità raggiunga il motore.
Nei drive ULH di ABB, il lavoro è lo stesso ma l’elettronica interna presenta alcune sostanziali differenze rispetto ai prodotti più tradizionali. Gli azionamenti con front end attivo possiedono al loro interno un secondo modulo IGBT al posto del ponte a diodi. Questo rimodula la corrente eliminando le armoniche e ricostruendo la forma d’onda perfettamente sinusoidale. A ciò si aggiunge un filtro LCL integrato che elimina anche le armoniche al di sopra della frequenza di commutazione dell’IGBT.
Per comprendere cosa comporti nella pratica è utile confrontare l’indice percentuale THD (acronimo inglese di “distorsione armonica totale”) che misura il contenuto di armoniche di corrente e di tensione. Un azionamento standard, in condizioni di funzionamento nominali, ha una distorsione armonica in corrente (THDi) del 38%. Oggi diversi produttori propongono modelli a basse armoniche con un THDi inferiore al 5%; tuttavia allontanandosi dalle condizioni nominali a pieno carico, il valore aumenta e richiede necessariamente l’aggiunta di filtri esterni. Soluzione costosa ed ingombrante. Gli azionamenti AFE, invece, portano il THDi al di sotto del 3% e lo mantengono tale anche a carichi parziali, senza bisogno di nessun componente esterno.
I vantaggi degli azionamenti Ultra Low Harmonic
ABB vanta un’ampia gamma di azionamenti ULH per uso industriale e per settori specifici, come climatizzazione e trattamento delle acque, in grado di offrire diversi vantaggi. A cominciare dalla possibilità di evitare il sovradimensionamento dei sistemi e dei loro componenti, e di conseguenza un maggiore consumo di materiali e di denaro.
Non solo. Questo tipo di drive riduce lo stress elettrico sui componenti aumentandone affidabilità e longevità. Avendo un contenuto di armoniche minimo, infatti, elimina le interruzioni di processo dovute a sovraccarichi di rete generati dall’incremento della corrente di linea. Ed è in grado di aumentare la tensione in uscita, assicurando la fornitura della piena tensione del motore anche quando la tensione di alimentazione è sotto il valore nominale.
Gli azionamenti ULH consentono, inoltre di ottenere un fattore di potenza unitario permettendo a motore e inverter di essere visti dalla rete come un carico puramente resistivo. E permettono di compensare anche altri carichi reattivi nella rete, offrendo potenzialmente agli utenti finali un risparmio sull’installazione di compensatori di potenza reattiva separati. Infine ABB offre una variante rigenerativa dell’azionamento ULH che recupera energia dalla parte meccanica, ad esempio durante la frenatura, invece di disperderla sotto forma di calore. Nel dettaglio, i drive con unità rigenerativa incorporata consentono la frenatura attiva quando il motore di un’applicazione viene usato come generatore, dopodiché reimmettono l’energia nella rete o in un accumulatore affinché possa essere riutilizzata successivamente.
In collaborazione con ABB