Azionamenti Elettrici i a Velocità Variabile: RISPARMIO ENERGETICO Siemens AG 2007 - Subject to changes without notice
Il risparmio energetico Cenni storici La sensibilità a livello mondiale verso il risparmio energetico è cresciuta negli ultimi anni. Una delle tappe significative nel percorso che dovrebbe portare ad una inversione di tendenza è stata la conferenza di Kyoto del Dicembre 1997. In quella sede si sono fissati diversi obiettivi per quanto riguarda la riduzione delle immissioni di gas nell atmosfera. page 2 Giugno 2008 A&D Standard Drives
Il risparmio energetico Alcuni obiettivi Progressivo abbandono delle sorgenti di energia di tipo tradizionale (petrolio, carbone, metano) a favore delle fonti rinnovabili (eolica, solare, geotermica). Sostituzione degli attuali sistemi utilizzatori di energia, generalmente di basso rendimento, con altri caratterizzati da una più alta efficienza. Riduzione dell emissione di CO2. L Italia ha l impegno di ridurre le emissioni del 7%. page 3 Giugno 2008 A&D Standard Drives
Panoramica dei componenti Motore Oggi motori asincroni trifasi a induzione (semplici, basso costo, alta efficienza, alta affidabilità.) + Regolatore di velocità Per regolare la velocità di un motore a induzione è necessario un regolatore elettronico chiamato CONVERTITORE DI FREQUENZA (più comunemente INVERTER) = RISPARMIO ENERGETICO page 4 Giugno 2008 A&D Standard Drives
Premessa I fatti parlano da soli: Negli impianti i i industriali i gli azionamenti i consumano quasi il 70 % del fabbisogno energetico Grazie all impiego di convertitori di frequenza e motori ad alta efficienza, nella sola UE è possibile risparmiare complessivamente 43 TWh di energia pari a circa 3 miliardi di Euro o all energia prodotta da 19 centrali elettriche funzionanti con combustibili fossili. page 5 Giugno 2008 A&D Standard Drives
Riflettiamoci un po su Iniziate a riflettere sull efficienza energetica:. ne vale davvero la pena!!! L investimento viene ammortizzato in brevissimo tempo; a seconda del tipo di impiego, spesso anche entro pochi mesi. Ai fini della scelta della tecnica di automazione più adatta conta soprattutto una cosa: considerando il tempo di utilizzo, il fattore che incide di più non è il prezzo d acquisto, sono i costi di esercizio. Ecco perché è essenziale fare dei calcoli preventivi. In questo noi possiamo aiutarvi. page 6 Giugno 2008 A&D Standard Drives
Un analisi veloce Scoprite se l impiego dei sistemi di azionamento ad alta efficienza energetica vi conviene. Analizzate subito i vostri impianti utilizzando la seguente check-list per l energia. Più il numero di risposte positive sarà alto, più il vostro potenziale di risparmio sarà elevato. page 7 Giugno 2008 A&D Standard Drives
Nuovo.o ammodernamento? Nuovo impianto i o ammodernamento? In quasi ogni azienda si nasconde un potenziale di risparmio. Bisogna decidere caso per caso se ha senso installare un impianto completamente nuovo o se è sufficiente un ammodernamento dell impianto esistente. Per quanto riguarda gli ammodernamenti, è determinante l applicazione specifica: più è alto il consumo energetico dell applicazione e il numero di ore di esercizio degli azionamenti nel funzionamento a carico parziale, più il costo dei sistemi ad alta efficienza energetica verrà ammortizzato rapidamente. Nel caso degli impianti nuovi è piuttosto facile calcolare i tempi di ammortamento del sovrapprezzo pagato per la soluzione azionamento ad alta efficienza energetica page 8 Giugno 2008 A&D Standard Drives
Motori e inverter Brevemente un po di teoria. page 9 Giugno 2008 A&D Standard Drives
I metodi di avviamento/controllo di un motore asincrono trifase Diretto. Soft starter. Inverter page 10 Giugno 2008 A&D Standard Drives
Motore asincrono in funzionamento continuo sulla rete Linea trifase principale 3 AC, 400V, 50 Hz Contattore Motore Asincrono Soluzione per: Funzionamento in continuo Velocità costante Velocità costante Condizioni di cui bisogna tener conto: Alta corrente all avvio Improvvisi sbalzi di coppia Nessun controllo della frenata Protezioni motore (motore bloccato o sovraccaricato) page 11 Giugno 2008 A&D Standard Drives
Soluzione con Soft Start a velocità costante Linea trifase principale 3 AC, 400V, 50 Hz Soft Starter Contattore Motore Asincrono Velocità Costante Soluzione per: Velocità costante Minimizzare lo stress della meccanica Nessuna alta corrente all avvio Decelerazione controllata t Condizioni di cui bisogna tenere conto: La velocità dipende d dallo scorrimento Protezione motore (il motore può essere bloccato o sovraccaricato) page 12 Giugno 2008 A&D Standard Drives
Soluzione per velocità variabile Linea trifase principale 3 AC, 400V, 50 Hz Convertitore di frequenza (inverter) U t U U Motore Asincrono t Soluzione atta per: Se è richiesta una variazione di velocità Risparmio energetico Accelerazioni e frenate regolate Frenata rigenerativa possibile (opzione) Operazioni possibili a frequenze > 50 Hz. significa anche poter aumentare la produttività di macchine già esistenti (retrofit) t Convertitore Velocità variabile Maggior costo... richiede una messa in servizio...... ma viene compensato da: Risparmio energetico Minore usura delle parti meccaniche Elevata qualità del prodotto attraverso una migliore precisione nel dosaggio ed elevata flessibilità Funzioni aggiuntive (controllo del contattore, tt controllo PID, gestione setpoint, logica...) page 13 Giugno 2008 A&D Standard Drives
I convertitori di frequenza I convertitori di frequenza (o inverter) sono la chiave di svolta per l Efficienza energetica nell industria page 14 Giugno 2008 A&D Standard Drives
Cos è l efficienza energetica Efficienza Energetica = Produrre consumando di meno - minor impatto sull ambiente - minori costi (per le aziende e per il sistema Italia) page 15 Giugno 2008 A&D Standard Drives
Efficienza energetica con inverter L inverter adatta in tempo reale le performance del motore alle necessità dell applicazione erogando solo la reale potenza richiesta. Il risparmio ottenibile dipende dal tipo di applicazione in esame e dalla tipologia di regolazione con cui ci si confronta. L inverter, nelle applicazioni con pompe p centrifughe e ventilatori,,g garantisce la migliore efficienza energetica nel realizzare sistemi a portata variabile. In questi casi la potenza assorbita è proporzionale al cubo della velocità page 16 Giugno 2008 A&D Standard Drives
Cos è l inverter U line U DC U out L inverter consente di variare la frequenza e la tensione di alimentazione di un motore elettrico, adeguandone la velocità alle effettive esigenze del carico. page 17 Giugno 2008 A&D Standard Drives
Principio di funzionamento Inverter Linea trifase principale p 3 AC, 400V, 50 Hz Capacità Motore Asincrono Raddrizzatore Invertitore Alimentazione: DC link : 3 AC, 400V Capacità con tensione di alimentazione raddrizzata approx. 1.35 400V = 540V Tensione e frequenza variabili page 18 Giugno 2008 A&D Standard Drives
I principali vantaggi usando un inverter Ulteriori vantaggi nell utilizzo di un Inverter Semplificazione impiantistica Il motore assorbe solo l energia richiesta. Semplicità di regolazione Riduzione della manutenzione Riduzione del rumore Elevate performance Risparmio Energetico page 19 Giugno 2008 A&D Standard Drives
Vantaggi e benefici nell impiego dei convertitori Partenze e fermate soft dei motori ( + possibile frenatura dinamica). Vengono totalmente evitati i problemi tipici dell avviamento tradizionale. - elevata corrente di spunto - caduta di tensione in rete - stress meccanici (come colpi d ariete, sovrapressioni ) Ampio range di velocità, coppia e potenza. Facilità nell eventuale controllo di più motori. Migliori risposte dinamiche del sistema. Ulteriori risparmi energetici con funzionalità specifiche page 20 Giugno 2008 A&D Standard Drives
Aree di applicazione: Per qualsiasi impiego dove un materiale fluido, liquido o gassoso deve essere mosso, traportato, pompato, compresso, estratto. I principali vantaggi sono: Gestione ottimale del processo. Aumento della flessibilità del sistema. Aumento della disponibilità (es. la manutenzione) in confronto ai sistemi meccanici. Aumento della produttività con la possibilità di elevare comodamente la velocità dei motori. Risparmio Energetico. (in particolar modo con carichi parziali). page 21 Giugno 2008 A&D Standard Drives
Le scelte d impiego migliori Predestinati al risparmio: i pompe, ventilatori t i e compressori Il potenziale di risparmio più grande proviene dalle pompe, dai ventilatori e dai compressori che funzionano ancora con valvole a farfalla e valvole meccaniche. Il passaggio ad azionamenti a velocità variabile può portare vantaggi decisivi dal punto di vista economico. M P ~ n 3 M ~ n 2 VT Coppia variabile page 22 Giugno 2008 A&D Standard Drives
Caratteristica del carico Motore e convertitore saranno determinati in base alla CARATTERISTICA del CARICO (COPPIA E VELOCITA ) Carico a coppia quadratica (COPPIA VARIABILE) Carico a coppia costante M CT Coppia costante n Necessità di accelerare e frenare o lavorare con carichi variabili. Senza fare un analisi in dettaglio del carico, possiamo affermare che il drive deve fornire una certa coppia ad ogni velocità. Esempi: compressori a pistoni, pompe volumetriche, nastri trasportatori t t M P ~ n 3 M ~ n 2 VT Coppia variabile n Controllando ad esempio un fluido, all aumentare della velocità la coppia incrementa al quadrato. Per scegliere un drive, basta conoscere la massima velocità di lavoro e la potenza necessaria. Esempi: pompe p e compressori (centrigughe), ventilatori. page 23 Giugno 2008 A&D Standard Drives
Esempio: Inverter su un ventilatore Risparmio energetico in 5 anni 40.000 per aver installato t un solo inverter! Ventilazione convenzionale Sistema di estrazione aria Motore da 75 kw con assorbimento medio di 56 kw 4.000 ore/anno di funzionamento Soluzione con Inverter Assorbimento medio di 36 kw 80.000 kwh all anno risparmiate Con un costo di energia di 0,1 /kwh, si risparmiano 8.000 /anno Costo per impianto: 6700 ( * ) Investimento Ammortizzato in circa 8 mesi ( * ) Spesa massima ammissibile totale per singolo variatore di velocità - Finanziaria 2007 page 24 Giugno 2008 A&D Standard Drives
Esempio: Inverter su pompa depuratore Risparmio energetico in 5 anni 37.600 per aver installato un solo inverter! Pompa convenzionale 37 kw 750 m³/h max di acque da depurare con 400 m³/h di media giornaliera Potenza media giornaliera di 32,4 kw (con un tipo di controllo ON/OFF) 8.000 ore/anno di funzionamento Soluzione con inverter Potenza media 23 kw Con un costo di energia di 0,1 /kwh, si risparmiano 7.520 all anno Costo impianto: 4200 ( * ) Investimento Ammortizzato in circa 6 mesi ( * ) Spesa massima ammissibile totale per singolo variatore di velocità - Finanziaria 2007 2008 page 25 Giugno 2008 A&D Standard Drives
Pompe e Ventilatori (qualche numero) Qualche esempio numerico: Nel caso ideale Riducendo del 50% la velocità l energia consumata si riduce a un ottavo Riducendo la velocità del 20% si risparmia il 50% dell energia Riducendo la velocità solo del 10% (da 100 a 90) si risparmia il 27% dell energia Nel caso reale Alcuni impianti funzionano a pieno regime (senza regolazione) anche quando sono sovradimensionati I sistemi di regolazione più utilizzati sono On Off Valvole di strozzamento / serrande By pass L inverter consente un risparmio effettivo dal 20% a oltre il 50%, mediamente del 35% rispetto ai sistemi i tradizionali i page 26 Giugno 2008 A&D Standard Drives
Altre applicazioni es.elevatori Fino al 50% di efficienza in più: gli azionamenti che lavorano con energia di frenatura Nei sistemi di azionamento tradizionali l energia di frenatura generata viene dissipata. Le versioni della famiglia di convertitori di frequenza SINAMICS con capacità di recupero dell energia reimmettono nella rete l energia di frenatura del motore invece di dissiparla nella resistenza di frenatura. Nelle applicazioni di sollevamento è possibile risparmiare fino al 50 % di energia grazie all impiego della tecnologia infeed intelligente. page 27 Giugno 2008 A&D Standard Drives
Efficient Infeed Technology: Principio di Funzionamento Operazioni Switching solo a fondamentale. Nessuna perdita di switching. Tensione main riportata su Dclink (semplice comparazione). Caratteristiche E possibile la rigenerazione dell energia energia. Forma d onda di corrente semplice (quadra). Ottimizzazione del Cos. Maximum motor voltage reduced due to mains ripple page 28 Giugno 2008 A&D Standard Drives
Efficient infeed tecnology brevettato Siemens Soluzione standard: Efficient Infeed Technology AFE Recupero Energia Energy saving Minor raffred. quadro Recupero continuo Line Friendly Le Resistenze di frenatura NON sono necessarie (minor ingombro e costi) Grazie alla capacità di recupero in rete del Power Module PM250 l energia è ricondotta in rete e non è pertanto dissipata in una resistenza di frenatura. Input choke NON necessario... anzi VIETATO!!! Un innovativa tecnica di collegamento assicura una ridotta quantità di armoniche di rete. Non è pertanto necessario l impiego di una reattanza di rete all ingresso. page 29 Giugno 2008 A&D Standard Drives
Efficient infeed technology - Riassumendo: Bobina di rete Resistenza di frenatura Onere di progettazione Armoniche generate Generazione di calore durante la frenatura Adduzione di energia Corrente assorbita Efficienza energetica Compensazione della potenza reattiva Onere di montaggio Tecnologia standard Necessaria Necessaria Standard Standard Sì Standard Standard Standard No Standard Efficient Infeed Technology Non necessaria Non necessaria Basso Basse No Minore del 22% circa Minore del 22% circa Buona Sì Basso Frenatura continua con il 100 % della potenza nominale Risparmio energetico con il recupero in rete nel funzionamento generatorico del motore Resistenza di frenatura, bobina di rete e chopper di frenatura non servono più Nessuna complessa progettazione delle resistenze di frenatura e nessun cablaggio oneroso Spazio di montaggio sensibilmente ridotto rispetto ai tradizionali convertitori compatti Cavi di alimentazione di sezione inferiore (fino al 22 %) Nessuna generazione supplementare di calore in caso di frenatura page 30 Giugno 2008 A&D Standard Drives
Qualcosa di analogo. KERS (Kinetic Energt Recovery) Il Sistema Cinetico di Recupero dell Energia permette di recuperare l energia termica che altrimenti verrebbe dissipata durante la fase di decelerazione e frenata trasformandola in energia meccanica e garantendo così prestazioni del motore più elevate ed un minor consumo di carburante. 12V Supply Torque Sensor KERS System Controller KERS Controller Communication with FIA Standard ECU Energy Transmission 375V DC ; 200A System status Energy Storage DYNASTORE Control (e.g. Shutdown) CAN I progettisti lavorano sul nuovo sistema di recupero dell'energia cinetica che equipaggerà le monoposto Ferrari di F1 nel 2009 Viene impiegato un INVERTER Calibration Programming Power Electronics Motor Control Inverter Liquid Cooling (Power Electronics) M / G Rotor angle (<5 mechanical) page 31 Giugno 2008 A&D Standard Drives
I drives di Siemens equipaggiati con Efficient Infeed technology I seguenti convertitori sono equipaggiati con Efficient Infeed Technology Come opzione: SINAMICS G120 integrato nella parte di potenza PM250 Sempre con: SINAMICS G120D SIMATIC ET 200S FC SIMATIC ET 200pro FC page 32 Giugno 2008 A&D Standard Drives
SOFTWARE di simulazione e calcolo: SINASAVE Con l impiego del Software SINASAVE TM è possibile: Calcolare, stimare e valutare il risparmio economico possibile di impianti e macchine, applicazioni esistenti, nuovi progetti ecc... Confrontare il risparmio possibile tra le varie tipologie di motori. (eff.1 eff.2) Confrontare (ad esempio) il funzionamento di un motore comandato da inverter e la regolazione tradizionale con valvola di strozzamento su di una pompa idraulica. Analizzare e verificare i risultati ti ottenuti ti con conseguente valutazione delle scelte piu idonee per il possibile risparmio energetico ed economico. Liberamente scaricabile dal link: www.siemens.com/energysaving page 33 Giugno 2008 A&D Standard Drives
Siemens AG 2007 - Subject to changes without notice
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La situazione in Italia Quantificando il potenziale risparmio ( ** ) Le pompe e i ventilatori sotto i 90 kw sono oltre 2 milioni e consumano circa 45 TWh/anno di energia elettrica Ad oggi solo l 8% sono regolati da inverter Gli inverter sono tecnicamente ed economicamente applicabili ad almeno un ulteriore 52%... e si otterrebbe un risparmio complessivo di oltre 8 TWh/anno di energia elettrica ( ** ) Studi Save VSDs for Electric Motor system e Improving the penetration of EEM and Drives page 36 Giugno 2008 A&D Standard Drives
Scenario industriale Potenziali massimi di risparmio Scenari realistici i 2005-2014 2014 page 37 Giugno 2008 A&D Standard Drives
Cunsumi Cunsumi del settore industriale 2014 BAU Se non fossero prese iniziative per incentivare il risparmio energetico tramite l utilizzo di motori ad alta efficienza ed inverter, i consumi energetici al 2014 crescerebbero notevolmente. Dato 2005 : 99,5 TWh Dato 2014 BAU: 114,9 TWh* Incremento: +15,5% 5% * Stima Cesi Ricerca-Anie page 38 Giugno 2008 A&D Standard Drives
Risparmi Massimi conseguibili al 2014 Max Il massimo risparmio potenziale nell industria si può stimare considerando la sostituzione dell intero parco motori attuale (ritenuto in EFF.3) con motori EFF.1 e con l installazione di tutti gli inverter tecnicamente ed economicamente giustificati. Dato 2005 : 99,5 TWh Dato 2014 BAU: 114,9 TWh* Dato 2014 Max: 98,1 TWh* Risparmio Max: 16.8 TWh Risparmio Max: 14,6% * Stima Cesi Ricerca-Anie page 39 Giugno 2008 A&D Standard Drives
Risparmi Realistici al 2014 Risparmi Realistici al 2014 - Inverter - Considerando una politica di incentivazione adeguata che sostenga l utilizzo di inverter sul parco motori esistente. - Considerando che si potrà avere una adesione che porti all installazione degli inverter tecnicamente ed economicamente giustificati da 1% al 10% annuo del parco potenziale E stimabile un risparmio realistico al 2014 di *: Caso A adesione 1% annuo -> 1,1TWh Caso B adesione 2% annuo -> 2,3TWh Caso C adesione 5% annuo -> 5,8TWh Caso D adesione 10% annuo -> 11,5TWh * Stima Cesi Ricerca-Anie page 40 Giugno 2008 A&D Standard Drives
Un paio di referenze Pompe più efficienti alla Shell La Shell Deutschland Oil GmbH gestisce a Kaiserwörthhafen un grande deposito per il trasbordo e lo stoccaggio di carburante diesel, benzina e nafta leggera. Le pompe principali per il trasporto del carburante diesel devono essere attivate nel punto ottimale della catena di produzione. L obiettivo è quello di risparmiare in futuro l energia in eccesso dissipata mediante distributori meccanici e valvole. Sono stati installati diversi convertitori MICROMASTER 440 con 132 kw di potenza nonché motori 1LG4 per il sistema di pompe ridondante. Il tempo di ammortamento stimato è di 14 mesi. Il risparmio mensile di costi energetici ammonta a piu di 3.000. Ventilazione a risparmio energetico nella fabbrica di motori Siemens di Bad Neustadt Per il filtraggio dei gas di combustione dei forni di fusione dell alluminio veniva utilizzato un sistema di ventilazione con comando a valvole equipaggiato con un motore vecchio di 20 anni. Innanzi tutto il motore elettrico in uso, dotato di una potenza nominale di 45 kw, è stato sostituito con un motore a risparmio energetico. Questo intervento da solo haconsentito un risparmio energetico di oltre il 2 %, vale a dire 535 l anno. Inoltre, il motore è stato equipaggiato con un convertitore MICROMASTER 430 in grado di regolare non solo il numero di giri del motore ma anche la portata dell aria. La soluzione adottata per la sostituzione dell intero sistema di azionamento, in funzione 24 ore su 24, ha ridotto i costi energetici dai 24.000 precedenti a circa 7.000 all anno. page 41 Giugno 2008 A&D Standard Drives
Fine Grazie per l attenzione!! page 42 Giugno 2008 A&D Standard Drives