L’impatto economico, sociale e ambientale del consumo energetico è uno dei temi correnti di maggior interesse; inoltre il consumo di energia ha un costo economico crescente che influenza in modo diretto la competitività delle aziende. In Lenze si conosce tale problematica e da anni si cerca una soluzione razionalizzando i consumi, eliminando gli sprechi energetici e progettando i processi produttivi per un consumo ottimizzato partendo proprio dalla catena del moto.
L’efficienza energetica può essere raggiunta attraverso un naturale lavoro di team: un team composto dal progettista meccanico e dal progettista elettrico che possano mettere in comune le singole esperienze e farle convergere nel dimensionamento globale. Troppo spesso analizzando impianti esistenti si riscontrano potenze assorbite pari al 50-60% dell’installato con conseguenti funzionamenti dei motori a bassi valori di fattore di potenza e quindi con inutili consumi.
Analizzando in uno studio gli aspetti energetici di tutti i componenti che compongono la catena del moto è stato valutato che il risparmio ottenibile mediante l’utilizzo di apparecchiature ad alta efficienza arriva al 15% del risparmio totale ottenibile; il risparmio che si può ottenere recuperando l’energia sottratta al carico durante le frenature ammonta al 10% del totale. La parte importante la fa l’energia che viene dissipata semplicemente per un uso improprio delle possibilità offerte dall’automazione e dalla tecnologia della regolazione.
Per quanto riguarda i motori, già dal 2011 è previsto l’impiego di motori asincroni a livello di efficienza IE2 e dal 2015 sarà necessario che i nuovi motori siano classificati IE3 o motori in classe di efficienza IE2 comandati da inverter.
Parlando invece di motori brushless, la corrente di magnetizzazione non è necessaria, in quanto il campo magnetico è realizzato mediante magneti permanenti. Questo riduce sia la dissipazione nel motore sia quella nell’inverter, consentendo spesso di ridurre la taglia delle apparecchiature rispetto alla soluzione asincrona.
Il componente responsabile delle maggiori dissipazioni è però il riduttore.
Spesso, una progettazione poco curata dal punto di vista energetico porta a selezionare riduttori a basso rendimento, come ad esempio i riduttori a vite senza fine. Il rendimento del riduttore a ingranaggi non dipende dal rapporto di riduzione; mentre nella vite senza fine decade rapidamente, fino a una riduzione anche del 40% per rapporti elevati.
È facile quindi calcolare che il modesto maggior costo di un riduttore a ingranaggi è subito compensato dal risparmio energetico, senza contare la minor necessità di sovradimensionare il motore e l’eventuale inverter, per compensare le perdite.
La figura 3 mostra un caso concreto in cui la scelta di un riduttore di qualità superiore si ripaga in meno di tre mesi di esercizio della macchina.
Un contributo minore, ma tutt’altro che trascurabile all’efficienza energetica di una macchina, è costituito dai giunti, elastici o rigidi, alle ruote libere, che permettono la trasmissione della coppia in una sola direzione, ai limitatori di coppia, alle frizioni, e infine ai freni.
Una soluzione interessante è rappresentata anche dal riutilizzo dell’energia di frenatura. Ciò può essere ottenuto in linea di principio in due modi:
– se sono presenti più assi, che non frenano tutti contemporaneamente, è possibile collegare i drive che li pilotano sul loro bus in continua, in modo che l’energia recuperata dagli assi che frenano venga utilizzata dagli assi che funzionano da motore.
– se gli assi sono tutti contemporaneamente in frenatura, occorre utilizzare un alimentatore che permetta di rinviare in rete l’energia recuperata e che, oltre a essere in grado di ri-immettere l’energia in rete, assicuri adeguate caratteristiche di qualità della forma d’onda e di sicurezza di connessione.
È inoltre fondamentale ricordare che la maggiore opportunità di risparmio energetico si nasconde nella corretta progettazione dell’applicazione; è importante quindi tenere in considerazione:
– il dimensionamento corretto delle apparecchiature, tarato sull’effettiva necessità di potenza del carico.
– la corretta gestione delle condizioni variabili del carico.
– la selezione dei corretti profili di moto: la scelta dei profili giusti permette di ridurre grandemente l’assorbimento.
– la corretta progettazione della catena del moto.
Dalle prestazioni necessarie e dai dati del carico e della cinematica occorre quindi selezionare i giusti componenti della catena del moto, simularne le prestazioni, anche energetiche, e conseguentemente ottimizzarne la scelta.
L’ultimo passo da compiere in una progettazione di sistema è la valutazione energetica del sistema dimensionato. A partire dai cicli previsti e dai prodotti selezionati, tenendo conto delle ore di funzionamento giornaliere e settimanali, si deve fare un’accurata stima dei consumi previsti, in kWh, in Euro e in quantità di CO2 immessa nell’atmosfera.
L’esperienza in materia di Lenze si condensa nel tool di progettazione e simulazione DSD Drive Solution Designer che, a partire dalle prestazioni necessarie e dai dati del carico e della cinematica, permette di selezionare i giusti componenti della catena del moto, di simulare le prestazioni, anche energetiche, e di ottimizzarne la scelta. Ciò consente di valutare la bontà della scelta stessa, gli eventuali sovradimensionamenti, il rischio di prestazioni insufficienti e la valutazione energetica del sistema dimensionato.
Gruppo Lenze
www.lenzeitalia.it