Pozza Gianfranco¹,Di Santo Federico²

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1. Banchi prova
2. Fuso motorizzato: tecnologia e risparmio energetico
3. Azionamenti elettrici sulle centrifughe per zucchero

Dalla loro introduzione fino ad oggi, la maggior parte degli inverter è stata dotata di un raddrizzatore con ponte a diodi o tiristori sull’alimentazione.
Questo sistema ha offerto innumerevoli vantaggi quali robustezza, ridotte dimensioni, basso costo ecc. ma presenta anche alcuni svantaggi. Un ponte a diodi crea un’elevata distorsione armonica dell’alimentazione e la tensione in uscita può essere al massimo uguale a quella di alimentazione. Inoltre l’energia può essere trasferita solo in una sola direzione, dalla linea al motore e non viceversa. Per contro, utilizzando un raddrizzatore a PWM non solo il convertitore diventa bidirezionale, ma migliora decisamente il THD ed il cosj può essere addirittura impostabile. Infatti un raddrizzatore a 6 impulsi con una reattanza di linea ben calcolata introduce una distorsione di corrente maggiore del 30% (THD) mentre con l’inverter con ponte di ingresso ad IGBT il THD può arrivare facilmente al 4%.
Ne consegue quindi anche una diminuzione della corrente efficace fornita dalla linea con riduzione delle perdite nei cavi e nel trasformatore di media. Il ponte di ingresso ad IGBT inoltre offre la possibilità di aumentare la tensione raddrizzata sul dc bus oltre al valore di picco della tensione di alimentazione e quindi risulta possibile alimentare un motore con tensione nominale maggiore, per cui le correnti di uscita possono essere ridotte. Grazie alla possibilità di restituire energia alla rete, non è più necessario dissipare energia su una resistenza di frenatura quando si deve frenare una massa aumentando l’efficacia di molte applicazioni quali gru, ascensori, centrifughe ecc.senza contare la fattibilità di nuove applicazioni come i generatori eolici e i banchi prova per motori a scoppio o elettrici.
Un banco prova si può semplificare come una "macchina" in grado di assorbire energia meccanica. I banchi prova vengono usati per differenti motivi, dalla misura della potenza di un motore al test di un cambio o una trasmissione. Attualmente i banchi prova più usati sono di tre tipi in base al tipo di freno usato: idraulici, a correnti parassite, dinamici.

Nel freno idraulico il rotore viene frenato da acqua iniettata in corrispondenza di camere su rotore e statore, acqua che funge anche da raffreddamento. La regolazione si ottiene facendo variare la pressione dell’acqua all’interno del dinamometro. Caratteristiche principali sono l’inerzia ridotta e la capacità di frenare grandi potenze in rapporto alle dimensioni. Potenza frenabile fino a 1800 KW. Funziona solo come freno. Tempo di risposta: centinaia di ms.

Il rotore viene frenato dall’interazione magnetica stabilita con lo statore (principio delle correnti di Focault). Il calore generato da tale frenatura viene asportato dallo statore attraverso il circuito di raffreddamento ad acqua. Caratteristica di tali freni è la precisione di regolazione. Funziona solo come freno. Tempo di risposta: decine di ms. Questo tipo di freno è in genere quello che fino ad oggi è il più usato nei banchi prova per motori elettrici o motori a scoppio. Però è anche quello che determina un maggiore consumo di energia in quanto esaminando l’esempio di un motore a scoppio c’è bisogno di energia sia per far funzionare il motore sotto test,(carburante o energia elettrica) energia elettrica per alimentare il freno, energia per poter asportare il calore generato.

Il freno dinamico è un motore elettrico, abitualmente AC, usato come generatore. Il termine dinamico significa sostanzialmente la possibilità di funzionare anche come motore. L’energia meccanica del motore da testare viene trasformata in energia elettrica che viene restituita alla rete mediante un apposito convertitore. Questo tipo di banco quindi è quello che maggiormente può sfruttare i vantaggi della frenatura riducendo non solo lo spreco energetico ma economizzando l’impianto di raffreddamento in termini economici e di spazio. Vanno inoltre considerate le altissime prestazioni ottenute con sistema vettoriale retroazionato quali risposta di coppia pari 2 ms per passare da +100% a -100 % del carico, precisione della regolazione di coppia pari +/- 0,1% con loop di coppia esterno(torsiometro o cella di carico) ecc.

In passato, la costruzione del FUSO nelle macchine tessili era vanto dei più noti costruttori del meccanotessile, l’accuratezza e la tecnologia di costruzione era una forma di distinzione fra le varie aziende, che "marchiavano" il proprio fuso ponendolo come elemento di spicco nelle trattative commerciali.
Oggi, le aziende che si impegnano nello sviluppo di un proprio fuso sono sempre minori, lasciando spazio ad aziende ormai multinazionali che hanno fatto di questi il loro maggior business, proponendo i loro standards di qualità ottima.
L’area commerciale delle varie aziende, nel proporre una nuova macchina tessile, sente oggi più che mai l’esigenza di una diversificazione che dia una "marcia in più" alle aziende che vogliono fare del proprio marchio una guida per il mercato.
Parallelamente, le aziende utilizzatrici sentono la primaria esigenza di ottimizzare al massimo i consumi energetici, visto l’elevato costo dell’energia elettrica nel mondo industriale, consumi dovuti soprattutto ai fusi.
Le aziende costruttrici più all’avanguardia, stanno ottimizzando l’installazione sulle proprie macchine di FUSI MOTORIZZATI. Si tratta di un fuso provvisto di motore indipendente opportunamente dimensionato, che offre numerosi vantaggi, rispondendo principalmente alle esigenze di cui sopra.

Attualmente, nella maggioranza delle applicazioni, i fusi sono fatti roteare ad alte velocità da un motore centrale (che può essere diviso in due motori di metà potenza su applicazioni particolari) che per mezzo di una cinghia, muove tangenzialmente un gran numero di fusi (qualche centinaio), secondo lo schema di principio in figura.

Questo sistema, molto pratico e funzionale, causa però diversi inconvenienti, i più significativi sono:

• Alta rumorosità introdotta dalla cinghia in movimento
• Slittamento cinghia-fuso
• Perdite per attriti fra puleggia-cinghia e fra cinghia-fusi
• Mancanza flessibilità di lavorazioni eterogenee nella stessa partita
• Limite meccanico introdotto dalla lunghezza cinghia
• Alta probabilità di rotture cinghie se usurate
• Manutenzione programmata alla cinghia
• Rendimento discreto

L’alternativa più valida consiste nel rendere indipendenti i vari fusi, applicando loro un piccolo motore sufficiente al proprio carico. L’importante è fare una giusta scelta del tipo di motore.

Volendo centrare appieno l’obbiettivo, occorre decidere prima di tutto la tipologia del motore da applicare al singolo fuso. Il motore deve rispettare le particolari esigenze del settore:

1. Necessità di regolazione della velocità
2. Rendimento elevato
3. Facilità di gestione
4. Collegamenti minimizzati
5. Velocità elevata
6. ridotta manutenzione programmata

I punti 1-5.-6 restringono notevolmente la gamma di scelta, il punto 2 "impone" un motore sincrono,come il BRUSHLESS.

Questo motore, di facile regolazione, può essere progettato per velocità anche elevate, superiori ai 20.000 rpm, l’assenza di spazzole lo rende privo di manutenzione, salvo i cuscinetti, il rendimento ottenibile può raggiungere il 90%. (buona parte delle perdite dipendono dai cuscinetti)

La REEL s.r.l. azienda leader nel settore della movimentazione industriale, da anni impegnata nel meccanotessile, ha proposto un sistema di regolazione del fuso composto da un motore BRUSLESS con integrato un regolatore di velocità SENSORLESS.

Il tutto si presenta come un unico meccanismo alimentato direttamente da un bus in corrente continua. I comandi di velocità (set di velocità e sblocchi) vengono dati attraverso una porta seriale, in modo indipendente ad ogni singolo motore (per una massima flessibilità di lavorazione) o con un unico telegramma (per una massima efficienza).

I collegamenti sono veramente minimizzati, la gestione facile.
I vantaggi sono evidenti:

• abbattimento del rumore
• velocità sempre precisa e senza scorrimenti
• massima flessibilità
• assenza di manutenzione programmata
• ottimo rendimento

Il sistema tradizionale con trasmissione a cinghia, oltre ai propri limiti intrinseci, difficilmente ha un rendimento che supera il 70%
Un sistema con fusi motorizzati abbatte tutti i limiti meccanici ed innalza il rendimento fino al 80÷85% (considerando la somma "rendimento motore" e "rendimento drive").
Si ottiene pertanto un guadagno di che va dal 10% al 15%.
Considerando che la gamma di potenza dei fusi su una macchina tessile va da 22kW fino a 45kW, e che costituisce il 90% del consumo macchina, si ottiene un risparmio che può variare da 2 a 6kW.
Le macchine tessili lavorano generalmente su tre turni giornalieri, a copertura delle 24ore; inoltre nello stesso stabilimento non è raro trovare installate anche diverse decine di macchine gemelle.
Moltiplicando il risparmio possibile per il numero di macchine di un reparto e per le ore di lavoro settimanali, si ottiene un risparmio energetico, che abbassa il costo per unità di prodotto lavorato.

Fino dal XVI secolo la materia prima per la produzione dello zucchero era la canna da zucchero e solo nel 1747 si scopri che la barbabietola poteva essere sfruttata per la produzione dello zucchero e da allora la lavorazione sulla barbabietola è rimasta sostanzialmente invariata.
Le barbabietole hanno un contenuto zuccherino paro al 16-18% e sono sottoposte a lavaggio ,trinciatura e flussaggio con acqua calda in controcorrente.
Il tutto, poi, viene depurato con calce e infine concentrato tramite evaporazione fino a raggiungere una concentrazione in zucchero di circa il 50%. Questa massa viene cotta a 70° e vengono immessi dei microcristalli che fungono da nuclei di condensazione che fanno in modo di cristallizzare lo zucchero mentre il liquido evapora.
Le centrifughe costituiscono lo stadio di lavorazione finale estraendo i cristalli di zucchero (più o meno bianchi)dalla miscela densa dello sciroppo zuccherino.
La massa viene immessa discontinuamente nel tamburo della centrifuga con un carico di circa 650 Kg e accelerato.
Il carico della massa cotta proviene da un serbatoio tramite una serranda regolabile a comando pneumatico.
La forza centrifuga provoca il deposito dei cristalli di zucchero sulla rete del paniere della centrifuga e il liquido estratto viene riciclato.
Segue la fase di lavaggio dei cristalli che avviene tramite una valvola a comando pneumatico.
Dopo la fase di decelerazione a velocità molto bassa (c.a. 70 rpm) interviene un vomere raschiatore obliquo che penetra nel tamburo provocando lo distacco dello strato di zucchero depositato.

Il ciclo completo di centrifugazione attualmente dura in media 3 minuti secondo le seguenti fasi:

ACCELERAZIONE CARICO MATERIALE 5 sec.
CARICO MATERIALE 18 sec.
ACCELERAZIONE PER CENTRIFUGA 50 sec.
CENTRIFUGAZIONE 15 sec.
FRENATURA PER SCARICO 50 sec.
SCARICO MATERIALE 45 sec.
TEMPO TOTALE CICLO 183 sec.

L’applicazione descritta si riferisce al rifacimento di due batterie di 5 centrifughe ASEA da 650Kg ognuna situate presso lo stabilimento di Russi (Ra) della azienda ERIDANIA S.p.A.
Precedentemente ogni centrifuga era azionata tramite un sistema Ward-Leonard con motore in corrente continua da 55kW, sostituito poi da un motore asincrono trifase da 75 kW 6poli.
L’aumento della potenza installata è stato necessario per ridurre il tempo di ciclo richiesto dal Cliente.

Il comando dei motori delle centrifughe avviene tramite inverter REEL della serie ACW2 alimentati da un unico bus in corrente continua che permette di recuperare l’energia di frenatura di un motore a vantaggio di un altro in fase di accelerazione o di coppia motrice.
I cicli di lavorazione delle 5 centrifughe infatti sono stati studiati e sincronizzati in modo tale da sfruttare al massimo l’energia tra motori in coppia motrice e motori in recupero riducendo quindi notevolmente l’assorbimento dalla rete di alimentazione.
Per il dimensionamento dei motori si sono dovuti calcolare i momenti di inerzia relativi ai vari elementi meccanici che compongono la centrifuga in lavorazione, in particolare: albero rotante, paniere, freno di emergenza, materiale umido, materiale secco.
Sapendo le velocità e i tempi (imposti dal cliente) relativi al ciclo di lavorazione sono state estrapolate le relative coppie necessarie per effettuare il ciclo di centrifuga:

1. coppia resistente in fase di carico
2. coppia accelerante per raggiungere la velocità di centrifugazione
3. coppia resistente in centrifugazione
4. coppia frenante per la decelerazione
5. coppia resistente in fase di scarico

tenendo conto ovviamente del cambio di peso del materiale nel passaggio da umido a secco e quindi del rendimento del sistema e di un eventuale declassamento del valore ottenuto per effetto del maggiore riscaldamento causato dalle armoniche dovute alla alimentazione da inverter.
Come si vede dal grafico delle velocità il motore viene usato parzialmente nel ciclo, nella zona di deflussaggio (c.a.63Hz), in fase di centrifugazione, dove la coppia richiesta è inferiore.

Dal ciclo di lavorazione richiesto e dalle coppie calcolate si può determinare le curve di potenza di ogni singola macchina e tramite PLC gestire la loro partenza nel tempo in modo tale minimizzare l’assorbimento dalla linea.

Potenza relativa ad una sola centrifuga

Potenza relativa al ciclo di 5 centrifughe

Potenza risultante dal ciclo delle 5 macchine