Politiche e tecnologie per l'industria digitale

I motori elettrici sono praticamente ovunque intorno a noi: li troviamo in funzione negli stabilimenti industriali, ma anche in moltissimi elettrodomestici di uso quotidiano (dalle lavatrici agli spazzolini elettrici), per non parlare degli edifici in cui viviamo e lavoriamo, dove giocano un ruolo indispensabile. ad esempio per il funzionamento di pompe e compressori.

Per dimostrare la pervasività dei motori elettrici, basti pensare che il 45% del consumo globale di elettricità è dovuto all'azione di questi motori, che sono essenzialmente essenziali per il funzionamento delle macchine su cui si basano le nostre economie e società.

Poiché sono utilizzati ovunque e per svolgere funzioni molto diverse, i motori elettrici devono eseguire diversi tipi di movimento: in alcuni casi veloci, in altri precisi, o in continuo e a velocità costante, o con variazioni di velocità, ecc.

Non solo: le attività richieste al motore possono essere più o meno impegnative, quindi per supportarle sarà necessario avere alle spalle un impianto con dimensioni e potenza elettrica adeguate.

Questa premessa serve a ricordare che sul mercato non esiste un solo tipo o un'unica famiglia di motori elettrici, ma tanti modelli con caratteristiche diverse, progettati per svolgere compiti diversi. Sebbene sia difficile dire a priori su quale motore debba puntare una specifica organizzazione per una determinata attività, è possibile fare alcune distinzioni che aiutano a capire come viene fatta una scelta di questo tipo.

Una prima fondamentale distinzione va fatta in relazione alle dimensioni del motore: i piccoli motori vengono utilizzati nei compressori di condizionatori e frigoriferi, nei finestrini delle auto, nelle stampanti dei computer, nelle ventole di raffreddamento delle apparecchiature elettroniche e in innumerevoli dispositivi. nell'uso comune.

I motori di medie dimensioni si trovano nei sistemi HVAC, negli ascensori, nelle metropolitane e nelle auto elettriche e ibride. Sono anche molto diffusi nell'industria per azionare pompe, nastri trasportatori, ventilatori e movimenti meccanici di ogni genere.

I motori elettrici più grandi sono utilizzati su treni, funicolari, sistemi di propulsione navale e attrezzature pesanti utilizzate nelle miniere e nelle cartiere.

Un'ulteriore differenziazione fondamentale è quella tra motori sincroni e asincroni. Il motore sincrono è un tipo di motore elettrico in corrente alternata in cui lo statore, generalmente trifase, genera un campo magnetico rotante: questa modalità rappresenta una tipologia che ben si adatta alle esigenze di quelle realtà che necessitano di un motore che funzioni in un continuo e con poche variazioni di velocità. Ultimamente sta prendendo piede il motore sincrono a riluttanza, che unisce le prestazioni di un motore a magneti permanenti alla semplicità di utilizzo e manutenzione di un motore a induzione.

Un motore asincrono è invece un tipo di motore elettrico in corrente alternata in cui la frequenza di rotazione non è né la stessa né un sottomultiplo della frequenza di rete, cioè non è "sincrono" con essa. Un motore di tipo asincrono è quindi consigliabile per tutte quelle applicazioni che prevedono task o attività variabili. Le applicazioni riguardano quelle macchine con parti in movimento a velocità fissa o variabile come sistemi di sollevamento come ascensori o montacarichi, sistemi di trasporto come nastri trasportatori, sistemi di ventilazione e condizionamento (unità di trattamento aria), senza dimenticare forse l'uso più comune come pompe e compressori.

Particolarmente rilevante è poi l'aspetto dell'efficienza energetica, sempre più fondamentale soprattutto per le aziende industriali, spesso energivore e che devono fare i conti in Italia con un prezzo dell'energia superiore a quello dei competitor europei.

A fare la differenza in questo senso sono proprio i motori, considerando che circa il 70% dell'energia che si consuma nell'industria viene assorbita da questi dispositivi. Ecco perché, date le altre variabili sopra descritte, la capacità di un motore elettrico di essere più o meno efficiente dal punto di vista energetico influenza notevolmente le decisioni di acquisto delle aziende industriali.

Il primo aspetto da considerare è la dimensione del motore: un motore sovradimensionato per l'attività consumerà una quantità eccessiva di energia erogando solo una frazione della potenza disponibile, mentre un motore con potenza insufficiente sprecherà energia a causa del surriscaldamento. Pertanto, solo selezionando un motore della giusta dimensione, le aziende possono risparmiare energia e denaro e anche limitare il proprio impatto ambientale.

In generale, però, i motori elettrici moderni hanno un rendimento maggiore rispetto al passato, grazie ad un miglioramento costante ottenuto negli anni, frutto dell'evoluzione dei materiali e della progettazione di statori e rotori. Ci sono ancora differenze significative nell'efficienza energetica tra i motori sul mercato. Inoltre, lo stock installato negli stabilimenti rimane prevalentemente costituito da vecchi motori a bassissimo rendimento.

In particolare, l'efficienza di un motore viene misurata sulla base di una scala pubblicata dalla IEC, la Commissione Elettrotecnica Internazionale.

I motori di categoria IE1 e IE2 sono ormai considerati obsoleti. Alcuni dei motori più recenti raggiungono lo standard IE4, che indica perdite di energia inferiori di circa il 15% rispetto ai motori IE3, mentre i più recenti motori IE5 con efficienza "ultra-premium" offrono il più alto livello di efficienza tra tutti i motori attualmente in commercio mercato.

Esistono anche normative per spingere l'efficienza dei motori elettrici a livello europeo: il nuovo Regolamento UE 2019/1781 sulla Progettazione Ecocompatibile (Ecodesign), colpisce direttamente le aziende che acquistano, vendono e utilizzano motori e azionamenti. L'obiettivo più ampio del regolamento, ovviamente, è consentire all'UE di raggiungere i propri obiettivi di efficienza energetica e di emissioni di CO2, limitando così l'aumento medio della temperatura globale.

Il regolamento UE 2019/1781 sarà attuato in due fasi, a partire dal 1° luglio 2021. La seconda fase, che amplia ulteriormente il campo di applicazione e aumenta i requisiti per i motori, inizierà due anni dopo, il 1° luglio 2023.

Pertanto, con l'installazione di un motore di nuova generazione, si possono ottenere notevoli benefici in termini di consumi, ma risparmi ancora maggiori si possono ottenere attraverso l'abbinamento di un motore ad alta efficienza con un variatore di velocità.

Un azionamento a velocità variabile, detto anche azionamento, consente di controllare un motore elettrico al fine di ottimizzarne il funzionamento. Ciò si ottiene regolando la velocità e la coppia del motore in base ai requisiti di carico del sistema. In sostanza, con un adeguato azionamento, il motore elettrico girerà esattamente alla velocità richiesta dal carico sottostante, con un notevole risparmio di potenza e quindi guadagno di efficienza.

Combinando un azionamento a velocità variabile con una pompa, un ventilatore o un motore del compressore, il consumo energetico viene generalmente ridotto del 25%. Eppure, secondo le stime, attualmente solo il 23% dei motori industriali installati nel mondo è abbinato a un azionamento. Si prevede che questa percentuale aumenterà al 26% nei prossimi cinque anni, ma si potrebbero ottenere ulteriori risparmi significativi con un tasso di adozione più elevato.

In particolare, quando un'azienda di produzione vuole puntare con decisione sull'efficienza energetica, la soluzione migliore è scegliere un motore sincrono a riluttanza (SynRM), abbinato ad un variatore di velocità (VSD).

La tecnologia a riluttanza sincrona unisce le prestazioni dei motori a magneti permanenti alla semplicità e facilità di manutenzione dei motori a induzione, perché non utilizzano le terre rare presenti nei magneti permanenti. Il rotore del motore sincrono a riluttanza è infatti privo di magneti o avvolgimenti e, quindi, non è soggetto a perdite di potenza. Inoltre, non essendoci forze magnetiche nel rotore, la manutenzione è semplice come quella dei motori a induzione.

ABB, multinazionale leader nella produzione di motori elettrici, prima per pompe e ventilatori, con classe di efficienza IE4, si è concentrata su questa tipologia dal 2011. Successivamente, nel 2019, ABB ha introdotto il motore SynRM IE5 con efficienza ultra-premium.

In particolare, i SynRM IE5 ultra premium di ABB sono progettati per ridurre le perdite di energia del 40% rispetto ai motori IE3, oltre a garantire una drastica riduzione dei consumi energetici e delle emissioni di CO₂ rispetto ai motori a induzione IE2. Inoltre, la tecnologia SynRM assicura temperature degli avvolgimenti fino a 30°C inferiori e temperature dei cuscinetti fino a 15°C inferiori, aumentando l'affidabilità, allungando la vita del motore e riducendo la necessità di manutenzione.

Il motore SynRM IE5 ha le stesse dimensioni di un motore a induzione IE2, eliminando così la necessità di modifiche meccaniche e facilitando la sostituzione delle soluzioni tradizionali. Va notato che i motori ABB SynRM IE5 possono essere utilizzati in un'ampia gamma di applicazioni industriali dove offrono un controllo accurato e un'elevata efficienza a diverse velocità, anche a carichi parziali. Tutto ciò li rende la scelta ideale per sostituire i motori a induzione standard in pompe, ventilatori e compressori, nonché in applicazioni più impegnative come estrusori e nastri trasportatori.

Più in generale, quando si parla di macchine rotanti è necessario considerare come l'ingegneria industriale sia da tempo orientata verso l'utilizzo di motori più piccoli in numero maggiore, ottimizzati per compiti specifici. Una scelta che genera inevitabilmente un maggior grado di complessità.

Tuttavia, questa complessità può essere efficacemente gestita implementando sensori intelligenti, come ABB Smart Sensor, e sistemi di monitoraggio connessi a Internet, che possono avvisare gli operatori quando un motore necessita di riparazione o sostituzione (con la cosiddetta manutenzione predittiva).

Dotando i motori esistenti di sensori connessi in modalità wireless, diventa possibile monitorare le prestazioni in modo trasparente e da remoto. Inoltre, i dati raccolti consentono di ottimizzare i processi e ottenere significativi guadagni di efficienza e risparmio energetico.

Giornalista, da tredici anni si occupa di tecnologia aziendale ed energia. Scrive per le pubblicazioni del gruppo Digital360.

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