Motori a reazione sincroni: efficienza energetica senza magneti in terre rare per azionamenti industriali

1. Introduzione

Il settore industriale dell’Ucraina si trova ad affrontare la fondamentale necessità di ridurre il consumo energetico e modernizzare il parco macchine elettriche obsoleto. Secondo le statistiche delle associazioni dell'ingegneria meccanica, i motori elettrici consumano fino al 70% dell'elettricità totale nell'industria. I tradizionali motori asincroni con rotore cortocircuitato secondo gli standard IE1 e IE2 hanno esaurito le loro risorse di modernizzazione. Tuttavia, la transizione ai motori a magneti permanenti (PM) è spesso limitata dai rischi geopolitici ed economici associati alla scarsità e al costo elevato degli elementi delle terre rare come il neodimio (Nd) e il disprosio (Dy).

Un'alternativa ad elevate prestazioni tecniche sono i motori a reazione sincroni (SynRM). Uniscono la semplicità della progettazione delle macchine asincrone e l'efficienza energetica dei sistemi sincroni senza l'uso di magneti permanenti. Per i capi ingegneri e i capi servizi meccanici delle imprese ucraine, comprendere i principi di funzionamento, le caratteristiche della selezione e del funzionamento di SynRM è un passaggio fondamentale per raggiungere gli indicatori di efficienza energetica di IE4 e IE5 secondo lo standard IEC 60034-30-1.

UNITEC-D GmbH (Augusta, Germania) fornisce componenti industriali per le imprese ucraine, compresi azionamenti moderni adattati ai requisiti delle normative tecniche dell'Ucraina e certificati secondo i requisiti CE e UkrSEPRO. In questo articolo analizzeremo in dettaglio i principi ingegneristici, il calcolo e il funzionamento dei motori a reazione sincroni.

2. Principi fondamentali

Un motore a reazione sincrono funziona secondo il principio della resistenza magnetica (riluttanza). A differenza di un motore a induzione, dove la coppia viene creata dall'interazione del campo magnetico dello statore e delle correnti nel rotore, il rotore SynRM non ha avvolgimenti né magneti permanenti. È realizzato in acciaio elettrico con barriere d'aria profilate (barriere magnetiche), che formano canali per il flusso magnetico.

La base per creare la coppia è il desiderio del rotore di occupare una posizione con resistenza magnetica minima rispetto al campo magnetico rotante dello statore. La conduttività magnetica lungo l'asse del rotore (asse $d$ — asse diretto) è molto più elevata che lungo l'asse trasversale ($q$ — asse di quadratura). Il rapporto delle induttanze lungo questi assi ($L_d / L_q$) è chiamato rapporto di salienza (rapporto di induttanza o rapporto di salienza, $\xi$).

Il momento elettromagnetico $T$ in un motore a reazione sincrono è descritto dall'equazione:

dove:

• $p$ è il numero di coppie di poli;
• $L_d, L_q$ — induttanze rispettivamente lungo gli assi $d$ e $q$;
• $I_d, I_q$ sono le componenti della corrente statorica lungo gli assi $d$ e $q$.

Per ottenere un'elevata efficienza e un fattore di potenza $(\cos\varphi)$, i moderni design dei rotori hanno una struttura multistrato di barriere. Ciò consente di raggiungere il valore di $\xi$ compreso tra 6 e 10 e oltre. Poiché nel rotore non ci sono avvolgimenti, le perdite del rotore (perdite nel rame) sono praticamente pari a zero ($P_{Cu,r} \circa 0$). Ciò garantisce una riduzione delle dispersioni termiche totali della macchina del 20-40 rispetto ai motori asincroni di potenza simile e riduce significativamente la temperatura di riscaldamento dei gruppi cuscinetto.

3. Specifiche tecniche e norme

La progettazione, la produzione e il funzionamento dei motori a reazione sincroni sono regolati da un rigoroso sistema di standard internazionali e nazionali. Poiché il funzionamento del SynRM non è possibile senza un azionamento a frequenza variabile (VFD), i requisiti per l'azionamento elettrico nel suo insieme sono complessi.

• IEC 60034-1: Macchine elettriche rotanti. Dati nominali e caratteristiche.
• IEC 60034-30-1: Classi di efficienza energetica delle macchine elettriche rotanti (codice IE). Standardizzazione dei livelli IE4 (Super Premium) e IE5 (Ultra Premium).
• IEC 60034-2-1: Metodi standard per determinare le perdite e la potenza utile in base ai risultati dei test.
• IEC 60034-25: Requisiti per motori CA alimentati da convertitori di frequenza.
• ISO 10816 / ISO 20816: Controllo delle vibrazioni delle condizioni meccaniche delle macchine.
• DSTU EN 60034 (armonizzato con gli standard europei in Ucraina) e disponibilità di certificati di conformità UkrSEPRO e CE.

La differenza fondamentale nel funzionamento è la classe di isolamento degli avvolgimenti dello statore. Solitamente viene utilizzata la classe di isolamento F con sovratemperatura di classe B (riserva termica per il funzionamento con tensioni pulsate dal VFD secondo lo standard IEC 60034-18-41).

4. Guida alla selezione e al dimensionamento

La scelta di un motore a reazione sincrono è significativamente diversa dalla scelta di una macchina asincrona. Poiché l'avviamento del motore direttamente dalla rete (Direct-On-Line) è impossibile a causa della mancanza di un avvolgimento di avviamento, il complesso "motore + convertitore di frequenza" è considerato come un'unica unità. L'algoritmo di selezione riguarda l'analisi del profilo di carico, la determinazione del momento di inerzia e il calcolo della capacità di sovraccarico.

Algoritmo per controllare il momento durante la selezione:

dove il fattore di sovraccarico $k$ per SynRM è solitamente compreso tra 2,0 e 2,8 a seconda della dinamica del processo tecnologico (ad esempio pompe, compressori, trasportatori).

5. Migliori pratiche per l'installazione e la messa in servizio

L'installazione di azionamenti industriali basati su SynRM richiede personale altamente qualificato. Errori nell'impostazione del convertitore di frequenza portano alla mancata sincronizzazione o all'aumento delle vibrazioni.

1. Allineamento meccanico (Allineamento): utilizzare sistemi di centratura dell'albero laser. L'eccentricità radiale e assiale consentita del giunto non deve superare 0,05 mm per velocità fino a 3000 giri/min. Rispettare gli standard ISO 10791.
2. Collegamento via cavo: utilizza cavi di alimentazione bilanciati schermati per ridurre le interferenze elettromagnetiche (EMC). La schermatura del cavo è messa a terra su entrambe le estremità mediante pressacavi EMC sulla custodia del motore e del convertitore.
3. Configurazione dei parametri VFD: Abilita la modalità di controllo specializzata SynRM (controllo vettoriale a circuito chiuso o senza sensore per macchine reattive sincrone). È necessario eseguire la procedura di identificazione del motore (autotuning) per misurare con precisione le induttanze $L_d$ e $L_q$.
4. Controllo dei cuscinetti: A causa dell'assenza di riscaldamento del rotore, le unità dei cuscinetti funzionano a una temperatura inferiore (10-15°C inferiore rispetto alle controparti asincrone). Si consiglia di utilizzare un lubrificante per alte temperature conforme a DIN 51825 (classe KP2N-30 o simile).

6. Modalità di guasto e analisi delle cause profonde (RCA)

Nonostante l'elevata affidabilità del design SynRM, le violazioni delle condizioni operative portano a guasti tipici. Di seguito è riportata la matrice di analisi della causa principale:

• Perdita di sincronismo:
  *Indicatori visivi/di sistema:* Errore del convertitore di frequenza (sovracorrente/fuori passo), arresto improvviso o strappo dell'albero, comparsa di ronzio. *Causa principale:* Superamento della coppia massima di avviamento o di funzionamento, impostazione errata dei parametri della curva di accelerazione nel VFD, bassa capacità del convertitore del collegamento CC.
• Elevato livello di vibrazioni ai giri del motore:
  *Indicatori visivi/di sistema:* Le frequenze di vibrazione corrispondono o sono multipli dei giri del rotore (ISO 20816). *Causa principale:* Violazione del bilanciamento del rotore a causa dell'ingresso di corpi estranei nei condotti dell'aria (in violazione della classe di pulizia IP) o danni meccanici al giunto.
• Guasto dell'isolamento dell'avvolgimento dello statore:
  *Indicatori visivi/di sistema:* La protezione dai guasti a terra è intervenuta, la resistenza di isolamento è scesa al di sotto di 10 MΩ (misurata con un megaohmmetro da 1000 V). *Causa principale:* Elevati picchi di impulsi ($dU/dt$) provenienti da cavi lunghi o di scarsa qualità senza l'utilizzo di filtri di uscita (filtri du/dt o filtri sinusoidali).

7. Manutenzione predittiva e monitoraggio delle condizioni (Predictive Maintenance)

Al fine di massimizzare l’indicatore MTBF (che per SynRM raggiunge le 100.000 ore), le imprese ucraine stanno implementando sistemi di monitoraggio continuo delle condizioni (Condition Monitoring Systems — CMS). Dato che l'azionamento funziona sotto il controllo di un convertitore di frequenza, l'analisi standard delle vibrazioni ha le sue peculiarità.

I principali metodi diagnostici:

• Analisi della firma della corrente del motore (MCSA): Consente il rilevamento dell'eccentricità del rotore, dei difetti dei cuscinetti e dei problemi di carico mediante l'analisi spettrale del consumo di corrente dello statore senza installare sensori aggiuntivi sul motore stesso.
• Monitoraggio delle vibrazioni sugli scudi dei cuscinetti: utilizzo di accelerometri piezoelettrici con una frequenza di polling fino a 10 kHz per rilevare le fasi iniziali dell'usura dei cuscinetti volventi (metodi shock impulsi SPM).
• Ispezione termica: Ispezione periodica dei collegamenti dei contatti della scatola morsettiera e dell'alloggiamento del motore secondo ISO 18433.

8. Matrice comparativa delle opzioni di azionamento

9. Conclusione

I motori a reazione sincroni rappresentano lo standard tecnologico per le imprese industriali che cercano di ridurre il consumo di energia ai livelli IE4/IE5 senza i rischi associati alla fornitura di materiali di terre rare. L'assenza di perdite nel rotore, l'elevato fattore di potenza e la lunga durata delle unità cuscinetto rendono SynRM la scelta migliore per pompe, ventilatori, compressori e linee di trasporto nell'industria ucraina.

L'azienda UNITEC-D GmbH fornisce componenti industriali certificati per la modernizzazione delle apparecchiature di azionamento in conformità con gli standard europei e i requisiti del mercato ucraino. Scopri la gamma completa di apparecchiature elettriche e pezzi di ricambio nel nostro <את>catalogo elettronico al link: https://www.unitecd.com/e-catalog/.

10. Collegamenti

1. IEC 60034-30-1:2014. Macchine elettriche rotanti - Parte 30-1: Classi di efficienza dei motori CA alimentati dalla rete (codice IE). Commissione Elettrotecnica Internazionale.
2. IEC 60034-2-1:2014. Macchine elettriche rotanti - Parte 2-1: Metodi standard per determinare le perdite e l'efficienza dai test.
3. ISO 20816-1:2016. Vibrazioni meccaniche - Misura e valutazione delle vibrazioni delle macchine.
4. Standard IEEE 112-2004. Procedura di test standard IEEE per motori e generatori a induzione polifase.
5. Libro bianco: "Tecnologia di azionamento a riluttanza sincrona - Efficienza energetica senza terre rare", Pubblicazioni tecniche ABB/Siemens Industrial Automation, 2022.