Modernizzazione della produzione: transizione dagli azionamenti a velocità fissa al controllo su convertitori di frequenza

1. Introduzione: la necessità di modernizzazione degli azionamenti industriali

Nella moderna produzione industriale, l’efficienza, l’affidabilità e l’adattabilità delle attrezzature sono fondamentali per garantire la competitività. Gli azionamenti a velocità fissa ancora ampiamente utilizzati spesso non soddisfano gli odierni requisiti di efficienza energetica, controllo preciso del processo e costi operativi ridotti. I sistemi obsoleti possono portare a un notevole dispendio energetico, a una maggiore usura dei componenti meccanici, a frequenti arresti non programmati e alla complessità dell’integrazione nei moderni sistemi di automazione. Inoltre, i crescenti requisiti normativi, come le direttive UE sulla progettazione ecocompatibile e gli standard nazionali di gestione dell’energia (ad esempio DSTU EN ISO 50001:2018), stanno spingendo le aziende a implementare tecnologie di risparmio energetico.

La modernizzazione degli azionamenti attraverso l'introduzione di azionamenti a frequenza variabile (VFD) o VFD (Variable Frequency Drive) consente di ottenere una significativa riduzione del consumo di elettricità, aumentare la precisione del controllo dei processi tecnologici e aumentare l'efficienza operativa complessiva. Questo manuale tecnico esamina gli aspetti chiave della transizione verso la RPC, concentrandosi sui vantaggi economici e sulle raccomandazioni pratiche per le imprese industriali ucraine.

2. Valutazione dei sistemi esistenti: criteri per l'adeguamento

È necessaria una valutazione approfondita dei sistemi di azionamento esistenti prima di decidere di aggiornarli. Ciò consentirà di identificare le aree più critiche e giustificare gli investimenti. La tabella seguente presenta i criteri chiave da considerare:

3. Alternative moderne: confronto delle tecnologie

Il passaggio dall'avvio diretto al controllo con l'ausilio del PRC è un passo fondamentale per migliorare l'efficienza. Ecco un confronto tra una tipica soluzione a velocità fissa e una soluzione moderna con CDP:

4. Calcolo del ritorno sull'investimento (ROI)

Un calcolo dettagliato del ROI è fondamentale per giustificare un progetto di modernizzazione. Consideriamo un esempio per una stazione di pompaggio con un motore da 30 kW.

Dati in uscita:

• Potenza motore: P = 30 kW
• Ore di funzionamento all'anno: H = 8000 ore
• Costo dell'elettricità: C_e = 0,15 EUR/kWh (media industriale per l'Ucraina)
• Risparmio energetico medio derivante dall'implementazione del CHRP: E_s = 25% (tipico per applicazioni con pompe e ventilatori)
• Il costo di un VFD (ad esempio, Heidenhain 355880-30 o simile): VFD_costo = 3500 EUR
• Il costo di installazione e messa in servizio: I_costo = 1500 EUR
• Costi annuali di manutenzione del vecchio sistema: M_vecchio = 1200 EUR (sostituzione giunti, cuscinetti, riparazione)
• Costi annuali di manutenzione del nuovo sistema: M_nuovo = 400 EUR (manutenzione programmata del PRP)
• Il costo del tempo di fermo dell'attrezzatura: D_costo = 500 EUR/ora
• Riduzione dei tempi di inattività grazie al PRP: R_{tempi di inattività} = 20 ore/anno (grazie all'avvio regolare, riduzione del carico)

Calcoli:

1. Consumo energetico annuo del vecchio sistema:
   Cvecchio = P * H * Ce = 30 kW * 8000 h * 0,15 EUR/kWh = 36000 EUR/anno
2. Risparmio energetico annuo:
   Se = Сvecchio * Es = 36000 EUR/anno * 0,25 = 9000 EUR/anno
3. Risparmio sulla manutenzione:
   Sm = Mvecchio - Mnuovo = 1200 EUR - 400 EUR = 800 EUR/anno
4. Risparmi derivanti dalla riduzione dei tempi di inattività:
   Sd = Dcosto * Rtempi di inattività = 500 EUR/ora * 20 ore/anno = 10000 EUR/anno
5. Risparmio annuo totale:
   Stotale = Se + Sm + Sd = 9000 + 800 + 10000 = 19800 EUR/anno
6. Costi di investimento totali:
   Itotale = VFDcosto + Icosto = 3500 EUR + 1500 EUR = 5000 EUR
7. Periodo di rimborso:
   PP = Itotale / Stotale = 5000 EUR / 19800 EUR/anno ≈ 0,25 anni (circa 3 mesi)

Pertanto l'investimento nella modernizzazione degli azionamenti viene ripagato in un periodo di tempo eccezionalmente breve. Anche se il “vecchio sistema funziona ancora”, i suoi costi nascosti dovuti alla scarsa efficienza, ai frequenti guasti e al controllo limitato superano di gran lunga il costo iniziale dell’aggiornamento. Dato l’aumento dei prezzi dell’energia, questo periodo di recupero potrebbe essere ancora più breve. Soddisfa inoltre i requisiti degli audit energetici e degli standard DSTU EN ISO 50001:2018.

5. Roadmap di implementazione: un approccio per fasi

L'implementazione efficace dell'HRC richiede un'attenta pianificazione per ridurre al minimo le interruzioni della produzione. Si consiglia un approccio graduale:

1. Pianificazione e audit (1-2 settimane)

   • Audit dettagliato: Determinazione di tutti gli azionamenti da aggiornare, dei loro parametri operativi attuali, dei carichi e della durata di funzionamento.
   • Studio di fattibilità: esecuzione dei calcoli del ROI per ciascuna unità o gruppo di unità.
   • Selezione dell'attrezzatura: Consultazione con i fornitori (ad esempio UNITEC-D) sulla selezione del PRP ottimale, come Heidenhain 355880-30, e delle attrezzature associate.
   • Documentazione di progetto: Sviluppo di schemi di connessione, algoritmi di controllo, specifiche.

2. Acquisto (2-4 settimane)

   • Ordini: inserimento di ordini per unità di controllo, cavi, filtri, sensori, armadi di controllo. UNITEC-D garantisce la fornitura di apparecchiature certificate.
   • Logistica: Organizzazione della consegna delle attrezzature alla struttura.

3. Installazione e collegamento (1-3 giorni per unità di apparecchiatura)

   • Smontaggio: smontaggio accurato dei componenti esistenti.
   • Installazione CRP: Installazione del quadro elettrico, CRP, collegamento dei cavi di alimentazione e controllo in conformità con gli standard di sicurezza elettrica (PUE, DSTU EN 60204-1:2018).
   • Messa a terra e schermatura: fornire un'adeguata messa a terra e schermatura per ridurre al minimo le interferenze elettromagnetiche.

4. Lavori di messa in servizio e servizio di messa in servizio (1-2 giorni per unità di attrezzatura)

   • Controlli preliminari: Verifica della correttezza dei collegamenti, resistenza di isolamento.
   • Configurazione dei parametri PRC: immissione dei parametri nominali del motore, impostazioni del controllo vettoriale (se supportato), configurazione dei controller PID.
   • Test: Avvio al minimo, avviamento sotto carico, verifica del funzionamento in diverse modalità.
   • Integrazione in ATS TP: impostazione dello scambio di dati con un livello di gestione più elevato.

6. Sfide tecniche e modi per risolverle

Durante l'attuazione della ChRP possono sorgere alcune difficoltà tecniche che richiedono un approccio qualificato:

• Compatibilità elettromagnetica (EMC): le RFC generano interferenze ad alta frequenza. Soluzione: utilizzo di filtri EMC, cavi schermati, posa separata dei cavi di potenza e di controllo secondo DSTU EN 61000-6-2:2015 e DSTU EN 61000-6-4:2015.
• Armoniche nella rete: armoniche elevate possono portare al surriscaldamento dei trasformatori e dei compensatori di potenza reattiva. Soluzione: utilizzo di induttanze, filtri armonici attivi, raddrizzatori multiimpulso.
• Compatibilità del motore: i motori più vecchi potrebbero non essere progettati per funzionare con un'elevata frequenza di commutazione del PWM HRP, il che può portare al surriscaldamento e all'usura accelerata dell'isolamento. Soluzioni: verificare la classe di isolamento del motore, utilizzare filtri di uscita dU/dt o filtri sinusoidali, utilizzare motori progettati per funzionare con PRC (ad esempio isolamento F o H).
• Risonanza e vibrazioni: alcuni sistemi meccanici possono avere proprie frequenze di risonanza che coincidono con le frequenze generate dal FRP. La soluzione: la funzione di passaggio delle frequenze di risonanza nelle impostazioni del CRP, bilanciamento delle parti meccaniche.
• Cadute di tensione: la sensibilità dell'unità di controllo alle cadute di tensione nella rete industriale. Soluzione: utilizzo di induttanze di rete, condensatori, gruppi di continuità per l'elettronica di controllo.

7. Esempio: modernizzazione dell'azionamento tecnologico della pompa

Situazione "prima".

In una delle imprese chimiche dell'Ucraina, nell'officina di produzione di fertilizzanti, era in funzione una pompa centrifuga per il pompaggio dei reagenti. Il motore da 45 kW funzionava a una velocità fissa di 1500 giri al minuto. La regolazione delle prestazioni è stata effettuata strozzando la tubazione di pressione mediante una valvola. Ciò ha comportato notevoli perdite di energia, cavitazione della pompa e frequenti guasti a guarnizioni e cuscinetti. Il numero medio di tempi di inattività all'anno è stato di 50 ore, il costo di una riparazione è stato di 1.500 euro. Il consumo energetico annuo è di 250.000 kWh. L'MTBF dell'unità pompa era di 7000 ore.

Situazione "Dopo"

Si è deciso di modernizzare l'azionamento installando un'unità di controllo Heidenhain 355880-30 e integrandola nel sistema di controllo automatico esistente. ChRP ha permesso di regolare agevolmente la velocità di rotazione della pompa in base alle esigenze del processo tecnologico. Di conseguenza:

• Consumo energetico: ridotto del 30%, a 175.000 kWh/anno (risparmio di 75.000 kWh/anno).
• Tempi di inattività: ridotti a 10 ore all'anno (grazie all'avvio graduale e all'assenza di cavitazione).
• MTBF: aumentata a 18.000 ore (usura di guarnizioni e cuscinetti ridotta).
• Precisione del controllo: la pressione nella tubazione viene mantenuta con una precisione di ±0,05 bar invece di ±0,5 bar.
• Qualità del prodotto: la stabilizzazione della fornitura di reagenti ha portato ad un aumento della qualità del prodotto finale.

Il risparmio energetico annuo totale, la riduzione dei tempi di inattività e i minori costi di manutenzione ammontavano a circa 17.000 EUR/anno. I costi di investimento (CRP, installazione, messa in servizio) ammontano a 7.000 euro. Il periodo di rimborso è inferiore a 5 mesi.

8. Servizio Commissione e Convalida

Dopo l'installazione e la messa in servizio è necessaria una fase di messa in servizio e validazione. Ciò conferma la conformità del sistema ai parametri di progetto e ai requisiti funzionali.

• Test funzionale: Verifica del funzionamento del CHRP in tutte le modalità specificate, compresi arresti di emergenza, protezioni, funzionamento con segnali esterni.
• Misurazione dei parametri: misurazione del consumo di elettricità (prima e dopo), pressione, flusso, temperatura, vibrazioni. Utilizzo di strumenti di misurazione certificati.
• Test di integrazione: verifica della correttezza dello scambio dati con i sistemi ACS e SCADA.
• Protocolli: Preparazione di protocolli di test e messa in servizio.
• Formazione del personale: formazione del personale operativo e di servizio sull'utilizzo delle nuove attrezzature.
• Certificazione: garanzia della conformità della RPC stabilita con gli standard CE e ottenimento, se necessario, della certificazione UkrSEPRO per il funzionamento in Ucraina.

Il rispetto del processo di validazione DSTU ISO/IEC 17025 è una conferma dell'affidabilità dei risultati ottenuti.

9. Conclusione

L’ammodernamento dei sistemi di azionamento con l’ausilio dei convertitori di frequenza non è solo un aggiornamento tecnico, ma un investimento strategico che garantisce un aumento significativo dell’efficienza energetica, dell’affidabilità e della precisione nella gestione dei processi produttivi. Tempi di ammortamento brevi grazie al risparmio energetico, costi di manutenzione inferiori e tempi di inattività inferiori rendono questa tecnologia fondamentale per l'industria di oggi. L'azienda UNITEC-D offre una gamma completa di soluzioni: dalla fornitura di moderni PRP, come Heidenhain 355880-30, all'ingegneria completa e al supporto in tutte le fasi di implementazione. Per informazioni dettagliate sulla gamma di prodotti e sulle soluzioni di retrofit, visitare il Catalogo elettronico UNITEC-D.

10. Collegamenti

• DSTU EN ISO 50001:2018 (ISO 50001:2018, IDT) Sistemi di gestione dell'energia. Requisiti e linee guida per l'applicazione.
• DSTU EN 50598-2:2016 (EN 50598-2:2014, IDT) Prestazioni dei sistemi di azionamento elettrici a velocità regolabile. Parte 2. Requisiti generali per la progettazione di sistemi efficaci.
• DSTU EN 60204-1:2018 (EN 60204-1:2018, IDT) Sicurezza delle macchine. Equipaggiamento elettrico delle macchine. Parte 1. Requisiti generali.
• DSTU EN 61000-6-2:2015 (EN 61000-6-2:2005, IDT) Compatibilità elettromagnetica (EMC). Parte 6-2. Norme generali. Resistenza alle interferenze per un ambiente industriale.
• DSTU EN 61000-6-4:2015 (EN 61000-6-4:2007, IDT) Compatibilità elettromagnetica (EMC). Parte 6-4. Norme generali. Norma sulle emissioni per ambienti industriali.
• DSTU ISO/IEC 17025:2019 (ISO/IEC 17025:2017, IDT) Requisiti generali per la competenza dei laboratori di prova e taratura.
• Direttiva UE 2009/125/CE (direttiva sulla progettazione ecocompatibile) che istituisce un quadro per stabilire i requisiti di progettazione ecocompatibile per i prodotti che consumano energia.
• Documentazione tecnica e manuali per il funzionamento dell'Heidenhain 355880-30 CPP.