Perché il PMSM per ventilatori industriali migliora le prestazioni del fattore di potenza nei sistemi di alimentazione elettrica della fabbrica

Quando una fabbrica esamina il consumo energetico dei ventilatori, la conversazione si ferma spesso all’efficienza del motore. Ciò trascura una seconda domanda relativa al sistema elettrico: quanta corrente deve fornire l’alimentazione per sostenere il lavoro? I PMSM per ventilatori industriali possono migliorare questa situazione, poiché un motore sincrono a magneti permanenti non richiede corrente di magnetizzazione del rotore nello stesso modo di un motore asincrono. Tuttavia, la risposta utile è più precisa di «PMSM equivale a un migliore fattore di potenza». La fabbrica osserva il comportamento combinato del motore, dell’inverter (VFD), delle impostazioni di controllo, del ciclo di funzionamento del ventilatore e dell’ambiente armonico.

Per un ingegnere che confronta un pacchetto motore a magneti permanenti (PMSM) con un pacchetto ventilatore ad induzione, l’obiettivo pratico non è una dichiarazione riportata sulla targhetta. È invece una corrente ridotta e non necessaria, un controllo stabile del ventilatore e un miglioramento misurabile nelle effettive condizioni operative dell’impianto.

Iniziare analizzando come varia il fattore di potenza in un sistema ventilatore

Il fattore di potenza descrive quanto efficacemente la potenza apparente viene convertita in potenza reale utile. In un sistema convenzionale con motore CA, la potenza reattiva sostiene i campi magnetici necessari alla produzione della coppia. Essa occupa capacità nei trasformatori, nei cavi, negli apparecchi di commutazione e nei generatori, anche se non fa ruotare direttamente il ventilatore. Un fattore di potenza più basso comporta quindi una corrente maggiore per una data richiesta di kW, incrementando le perdite nei conduttori e assorbendo capacità di distribuzione.

Un motore ad induzione genera il proprio campo rotorico mediante corrente di magnetizzazione. Un PMSM per ventilatori industriali utilizza magneti permanenti sul rotore, riducendo così la componente di magnetizzazione ai morsetti del motore. Con un opportuno controllo della corrente, la corrente di statore può essere allineata più strettamente con l’asse produttore di coppia. Questo è il meccanismo elettrico alla base dell’opportunità di migliorare il fattore di potenza.

Esiste un limite importante: il fattore di potenza ai morsetti del motore non coincide automaticamente con il fattore di potenza all’ingresso dell’impianto. Se il ventilatore è azionato da un inverter, il raddrizzatore d’ingresso dell’inverter, il collegamento in corrente continua (DC link), il reattore di linea, i filtri armonici passivi o attivi e il resto del carico dell’impianto influenzano il valore rilevato dal contatore dell’azienda fornitrice di energia.

Perché il vantaggio è spesso significativo per i ventilatori industriali

I ventilatori sono candidati ideali perché la richiesta di portata d’aria è spesso variabile. Invece di regolare le portate mediante serrande mentre il motore funziona a velocità costante, un azionamento a frequenza variabile (VFD) può ridurre la velocità del ventilatore per adeguarla alle esigenze di ventilazione, raffreddamento o processo. Le leggi di affinità dei ventilatori indicano che la portata varia approssimativamente in proporzione alla velocità, la pressione varia approssimativamente con il quadrato della velocità e la potenza assorbita dall’albero varia approssimativamente con il cubo della velocità. Una modesta riduzione della velocità può quindi ridurre in modo significativo il consumo effettivo di potenza.

Quell’intervallo di funzionamento a carico ridotto è proprio quello in cui la scelta del motore assume importanza. Le macchine a magneti permanenti possono mantenere un’efficienza favorevole e una buona controllabilità su un ampio intervallo di velocità, purché motore e VFD siano correttamente abbinati. Un PMSM per ventilatori industriali può quindi ridurre sia il consumo in kW sia il carico di corrente reattiva associato a un motore ad induzione. I due vantaggi sono correlati ma distinti: un minore consumo in kW non implica necessariamente un miglior fattore di potenza, e un miglior fattore di potenza non garantisce di per sé un minor consumo in kWh.

Fattore di potenza del motore rispetto al fattore di potenza in ingresso dell’azionamento

Questa distinzione evita molte aspettative deludenti legate alla sostituzione retroattiva. Sul lato di uscita, il variatore di frequenza (VFD) fornisce una forma d’onda controllata al motore a magneti permanenti (PMSM). Sul lato di ingresso, un raddrizzatore standard a sei impulsi può assorbire una corrente non sinusoidale. Il fattore di potenza di spostamento può essere elevato, mentre il fattore di potenza reale risulta ridotto dalla distorsione armonica della corrente.

Per tale motivo, un’azienda dovrebbe esaminare almeno quattro valori prima e dopo la sostituzione retroattiva:

• Potenza attiva (kW): la potenza elettrica utile assorbita dal sistema ventilatore.
• Potenza reattiva (kVAr): la quota associata al supporto del campo magnetico e ad altri effetti reattivi.
• Potenza apparente (kVA): il carico imposto agli apparecchi di alimentazione.
• Fattore di potenza reale e THD della corrente: misurati all’ingresso del VFD o nella relativa quadro di distribuzione.

Se lo stabilimento dispone di banchi di condensatori, anche il loro regolatore deve essere esaminato. Un sistema ricco di inverter di frequenza potrebbe richiedere reattori disintonizzati, filtri armonici o un front-end attivo, a seconda delle misurazioni e dei limiti di qualità della potenza dello stabilimento. Aggiungere condensatori senza verificare risonanza e armoniche non costituisce un sostituto sicuro per una corretta valutazione degli ingressi degli azionamenti.

Dove una sostituzione con ventilatori a motore sincrono a magneti permanenti può migliorare la capacità produttiva dello stabilimento

Si consideri un impianto di ventilazione che alterni condizioni di domanda bassa, media e alta. Con un motore asincrono, un controllo tramite serrande e condizioni di carico parziale scadenti, il sistema potrebbe assorbire una corrente superiore a quella giustificata dall’effettiva richiesta d’aria. Sostituendo la strategia di controllo con un motore sincrono a magneti permanenti comandato da un inverter di frequenza per ventilatori industriali, il sistema può ridurre la velocità ogniqualvolta il processo lo consenta. La minore richiesta di coppia riduce i kW, mentre le caratteristiche di eccitazione del motore possono ridurre la componente reattiva sul lato motore.

Il risultato può comportare un utile sollievo del carico sulla strumentazione a monte. Una corrente inferiore riduce le perdite I²R nei circuiti di alimentazione e potrebbe contribuire a evitare il sovraccarico di trasformatori o generatori, determinato dall’energia apparente (kVA) e non soltanto da quella attiva (kW). Tuttavia, il beneficio deve essere calcolato a partire da intervalli misurati, non dedotto dai dati nominali del motore.

Cinque verifiche delle specifiche prima di selezionare un pacchetto ventilatore con motore PMSM

• Mappare il reale ciclo di lavoro. Registrare la velocità del ventilatore, la pressione statica, un indicatore del flusso d’aria, la potenza in kW e le ore di funzionamento. Un ventilatore che opera vicino a un singolo punto fisso potrebbe non giustificare la stessa scelta progettuale di un ventilatore con ampie variazioni giornaliere.
• Verificare la compatibilità con l’inverter di frequenza (VFD). L’inverter deve supportare il controllo del motore PMSM, con i parametri di messa in servizio basati sui dati del motore forniti dal produttore. Il controllo sensorless e quello basato su encoder presentano implicazioni diverse all’avviamento e a bassa velocità.
• Specificare il punto di misurazione. Indicare se il criterio di accettazione è il fattore di potenza sul lato motore, il fattore di potenza reale in ingresso al variatore di frequenza (VFD), il quadro di distribuzione principale (MCC) o il quadro di entrata dell’impianto. Questi valori non sono intercambiabili.
• Esaminare le armoniche e le apparecchiature esistenti per la correzione del fattore di potenza. Misurare la distorsione armonica totale della corrente (THD) e ispezionare il comando a gradini dei banchi di condensatori, le reattanze e il carico del trasformatore prima di definire definitivamente un intervento di retrofit.
• Verificare la corrispondenza meccanica del ventilatore. I requisiti di coppia e velocità, l’inerzia, i cuscinetti, il fissaggio e le prestazioni di portata d’aria devono essere compatibili con il nuovo campo operativo. Un motore ad alta efficienza non può compensare una scelta errata del ventilatore o una canalizzazione troppo restrittiva.

Un piano pratico di verifica

Chiedere al fornitore o all'integratore di definire una linea di base e un test di accettazione. Registrare tre punti operativi rappresentativi anziché una singola istantanea a piena velocità. In ciascun punto, registrare tensione, corrente, kW, kVAr, kVA, fattore di potenza reale, THD della corrente, velocità della ventola e condizione del processo. Confrontare condizioni equivalenti di portata d'aria o pressione, quindi esaminare i dati insieme all'ingegnere per la qualità dell'energia elettrica dell'impianto.

Per i progetti internazionali, le classi di efficienza e i metodi di prova devono essere verificati in conformità ai requisiti di mercato applicabili. L'IEC TS 60034-30-2 fornisce un contesto pertinente sulle classi di efficienza dei motori elettrici a corrente alternata a velocità variabile, ma non sostituisce uno studio elettrico specifico per il sito. Analogamente, una classificazione ad alta efficienza non garantisce che l'ingresso dell'inverter rispetti un determinato limite di fattore di potenza o di armoniche imposto dal gestore della rete elettrica.

Quando il motore PMSM non è l'unica soluzione

Un motore PMSM per ventilatori industriali non è automaticamente il miglior aggiornamento per ogni ventilatore. Se un ventilatore funziona ininterrottamente a un punto di funzionamento stabile, un motore ad induzione ad alta efficienza, opportunamente dimensionato, potrebbe rappresentare una soluzione economica più semplice. Se il principale problema del sistema di distribuzione è la distorsione armonica causata da numerosi azionamenti già installati, il miglioramento del comportamento sul lato uscita di un singolo motore non risolverà da solo il problema a livello di impianto.

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