Sia i motori CA che quelli CE sono motori elettrici. I motori elettrici svolgono un ruolo fondamentale nella vita di tutti i giorni, in quanto sono coinvolti nell'alimentazione di innumerevoli dispositivi e sistemi a cui ci affidiamo. Nelle applicazioni domestiche, si trovano in frigoriferi, lavatrici, condizionatori d'aria, aspirapolvere, ecc. I sistemi HVAC si affidano ai motori elettrici per far circolare l'aria, regolare la temperatura e mantenere il comfort in case, uffici e altri edifici. Anche nei trasporti, nell'industria e nella produzione i motori elettrici svolgono un ruolo cruciale. In questo articolo spieghiamo in modo comprensibile le differenze tra motori CA e motori EC. Le opzioni per il controllo di un motore CA e i vantaggi e gli svantaggi delle tecnologie citate sono brevemente discussi.
I motori elettrici funzionano grazie all'interazione tra magnetismo e corrente elettrica.
Un motore elettrico è una macchina che converte l'energia elettrica in energia meccanica. L'energia elettrica viene principalmente convertita dal motore in movimento rotatorio. L'energia elettrica o potenza è espressa in kW, mentre il moto rotatorio è espresso in giri al minuto. Quindi la potenza elettrica [kW] viene convertita dal motore in moto rotatorio [giri/min].
Ma questo non basta. Oltre all'energia elettrica è necessario anche il magnetismo. Alcuni motori utilizzano magneti permanenti, altri tipi di motori creano i propri campi magnetici utilizzando bobine e correnti elettriche.
Un motore elettrico è una macchina che converte l'energia elettrica in energia meccanica. L'energia elettrica viene principalmente convertita dal motore in movimento rotatorio. L'energia elettrica o potenza è espressa in kW, mentre il moto rotatorio è espresso in giri al minuto. Quindi la potenza elettrica [kW] viene convertita dal motore in moto rotatorio [giri/min].
Ma questo non basta. Oltre all'energia elettrica è necessario anche il magnetismo. Alcuni motori utilizzano magneti permanenti, altri tipi di motori creano i propri campi magnetici utilizzando bobine e correnti elettriche.
Un motore elettrico funziona in base a un'interazione dinamica di forze magnetiche. Quando viene applicata una corrente elettrica, questa genera un campo magnetico che interagisce con i magneti situati su un componente rotante. Questa interazione induce il movimento rotatorio, esemplificando la conversione dell'energia elettrica in movimento meccanico. Il motore è un meccanismo sofisticato in cui la sinergia orchestrata tra elettricità e magnetismo facilita un movimento rotatorio controllato e mirato, alla base di un'ampia gamma di applicazioni in tutti i settori, compreso quello dell'HVAC.
Un motore è composto da uno statore e da un rotore. Lo statore è la parte statica del motore - la parte fissa utilizzata per montare il motore sul condotto dell'aria o sull'installazione. Il rotore è la parte rotante su cui è montato l'albero del motore. In un ventilatore, le pale sono montate sull'albero del motore (sul rotore). Il rotore ha solitamente una forma cilindrica. Nello statore viene generato un campo magnetico attraverso l'elettromagnetismo. La corrente elettrica scorre attraverso l'avvolgimento del motore nello statore e genera un campo magnetico. Poiché si tratta di tensione alternata e vengono utilizzati diversi avvolgimenti, questo campo magnetico ruota intorno al rotore. Il rotore segue questo campo magnetico rotante. Si può paragonare ai magneti che si attraggono.
Durante il processo di conversione dell'energia elettrica in energia meccanica, una parte dell'energia viene persa. Queste perdite di energia sono causate dalla generazione di calore, dall'attrito meccanico e da altre perdite elettriche nel motore. L'efficienza di un motore elettrico indica quale parte dell'energia assorbita è disponibile all'albero del motore. Il rendimento è solitamente indicato sulla targhetta con il simbolo η espresso in %. η = 85% significa che il 25% dell'energia elettrica assorbita viene persa. Maggiore è l'efficienza del motore, minori sono le perdite e maggiore è l'energia convertita in coppia. La forza con cui viene eseguito il movimento rotatorio è chiamata coppia ed è espressa in Nm.
Durante il processo di conversione dell'energia elettrica in energia meccanica, una parte dell'energia viene persa. Queste perdite di energia sono causate dalla generazione di calore, dall'attrito meccanico e da altre perdite elettriche nel motore. L'efficienza di un motore elettrico indica quale parte dell'energia assorbita è disponibile all'albero del motore. Il rendimento è solitamente indicato sulla targhetta con il simbolo η espresso in %. η = 85% significa che il 25% dell'energia elettrica assorbita viene persa. Maggiore è l'efficienza del motore, minori sono le perdite e maggiore è l'energia convertita in coppia. La forza con cui viene eseguito il movimento rotatorio è chiamata coppia ed è espressa in Nm.
Motori a corrente alternata - Motore asincrono vs motore sincrono
I motori a corrente alternata sono lo standard per le applicazioni industriali. Questo tipo di motore viene regolarmente utilizzato anche nel settore HVAC, soprattutto per le capacità più elevate. I motori CA sono molto affidabili, robusti e di facile manutenzione. Si distingue tra motori CA sincroni e asincroni.
Motore asincrono
Il motore asincrono standard è il motore elettrico più semplice e più utilizzato nel settore HVAC e nell'automazione industriale. Si tratta di un concetto collaudato, economico, robusto e affidabile. I motori asincroni sono relativamente facili da mantenere e in molti casi la loro velocità può essere facilmente controllata. Grazie al progresso tecnologico, sono ora disponibili soluzioni più efficienti dal punto di vista energetico, che però hanno un prezzo.
Il principio di funzionamento di un motore asincrono è un po' più difficile da spiegare in modo semplice. Il motore asincrono non ha un rotore con magneti permanenti; il suo campo magnetico viene creato da induzione. Per rendere questo possibile, il rotore è composto da conduttori elettrici. Queste barre conduttrici sono solitamente in alluminio o rame. Sono montate nel rotore cilindrico e sono collegate a entrambe le estremità da anelli di cortocircuito. L'insieme ha una forma a gabbia, da cui il nome di rotore a gabbia di scoiattolo. Per il principio di induzione (legge di Faraday), la corrente elettrica scorre attraverso questi conduttori. Per questo motivo, un motore asincrono è chiamato anche motore a induzione. La corrente del rotore crea un campo magnetico che interagisce con il campo dello statore, provocando la rotazione del motore.
I motori a corrente alternata sono lo standard per le applicazioni industriali. Questo tipo di motore viene regolarmente utilizzato anche nel settore HVAC, soprattutto per le capacità più elevate. I motori CA sono molto affidabili, robusti e di facile manutenzione. Si distingue tra motori CA sincroni e asincroni.
Motore asincrono
Il motore asincrono standard è il motore elettrico più semplice e più utilizzato nel settore HVAC e nell'automazione industriale. Si tratta di un concetto collaudato, economico, robusto e affidabile. I motori asincroni sono relativamente facili da mantenere e in molti casi la loro velocità può essere facilmente controllata. Grazie al progresso tecnologico, sono ora disponibili soluzioni più efficienti dal punto di vista energetico, che però hanno un prezzo.
Il principio di funzionamento di un motore asincrono è un po' più difficile da spiegare in modo semplice. Il motore asincrono non ha un rotore con magneti permanenti; il suo campo magnetico viene creato da induzione. Per rendere questo possibile, il rotore è composto da conduttori elettrici. Queste barre conduttrici sono solitamente in alluminio o rame. Sono montate nel rotore cilindrico e sono collegate a entrambe le estremità da anelli di cortocircuito. L'insieme ha una forma a gabbia, da cui il nome di rotore a gabbia di scoiattolo. Per il principio di induzione (legge di Faraday), la corrente elettrica scorre attraverso questi conduttori. Per questo motivo, un motore asincrono è chiamato anche motore a induzione. La corrente del rotore crea un campo magnetico che interagisce con il campo dello statore, provocando la rotazione del motore.
A differenza di un motore sincrono, un motore asincrono ruoterà sempre più lentamente del campo magnetico dello statore. Questa differenza è chiamata scorrimento. A causa di questa differenza, nel rotore del motore asincrono viene indotta una corrente inversa. Maggiore è il carico, maggiore è la differenza (slip). Il rotore accelera finché l'entità della corrente indotta nel rotore e la coppia del motore non bilanciano il carico sull'albero del motore. Poiché a velocità sincrona non c'è corrente di rotore indotta (nessuna coppia), un motore a induzione funziona sempre più lentamente della velocità sincrona.
Motori sincroni
I motori sincroni a corrente alternata sono tecnologicamente più complessi dei motori asincroni. Utilizzano magneti permanenti, il che li rende più costosi. Il grande vantaggio è il minor consumo di energia. Un motore sincrono è meno facile da controllare rispetto a un motore asincrono. Di solito è necessario un tipo specifico di regolatore di frequenza per controllarli. I motori sincroni non possono essere controllati con un regolatore di velocità a trasformatore né con un regolatore di velocità elettronico.
Come già detto, nello statore si crea un campo magnetico rotante. Un motore sincrono ha un rotore costituito da magneti permanenti. Gli opposti magnetici si attraggono. I magneti del rotore seguono quindi esattamente (in modo sincrono) il campo rotante dello statore, indipendentemente dal carico.
Motori sincroni
I motori sincroni a corrente alternata sono tecnologicamente più complessi dei motori asincroni. Utilizzano magneti permanenti, il che li rende più costosi. Il grande vantaggio è il minor consumo di energia. Un motore sincrono è meno facile da controllare rispetto a un motore asincrono. Di solito è necessario un tipo specifico di regolatore di frequenza per controllarli. I motori sincroni non possono essere controllati con un regolatore di velocità a trasformatore né con un regolatore di velocità elettronico.
Come già detto, nello statore si crea un campo magnetico rotante. Un motore sincrono ha un rotore costituito da magneti permanenti. Gli opposti magnetici si attraggono. I magneti del rotore seguono quindi esattamente (in modo sincrono) il campo rotante dello statore, indipendentemente dal carico.
Regolatori di velocità per motori CA
I motori sincroni consumano generalmente meno energia di quelli asincroni, ma possono essere utilizzati solo in combinazione con un convertitore di frequenza. I motori asincroni offrono la possibilità di scegliere se essere controllati o meno da un regolatore di velocità. I regolatori di velocità aiutano a ridurre gli shock meccanici durante l'avviamento. Grazie ai regolatori di velocità, molte applicazioni possono essere controllate in modo più comodo e preciso. Basti pensare alla ventilazione a richiesta, dove i regolatori di velocità ottimizzano il flusso d'aria e combinano una buona qualità dell'aria interna con il risparmio energetico.
I motori sincroni consumano generalmente meno energia di quelli asincroni, ma possono essere utilizzati solo in combinazione con un convertitore di frequenza. I motori asincroni offrono la possibilità di scegliere se essere controllati o meno da un regolatore di velocità. I regolatori di velocità aiutano a ridurre gli shock meccanici durante l'avviamento. Grazie ai regolatori di velocità, molte applicazioni possono essere controllate in modo più comodo e preciso. Basti pensare alla ventilazione a richiesta, dove i regolatori di velocità ottimizzano il flusso d'aria e combinano una buona qualità dell'aria interna con il risparmio energetico.
Nelle applicazioni HVAC, i ventilatori con motori asincroni possono essere controllati con un convertitore di frequenza o con un regolatore di velocità. Entrambi hanno i loro pro e contro. Un regolatore di frequenza offre il controllo più accurato ed è efficiente dal punto di vista energetico. Un regolatore di velocità è più economico e molto più facile da installare e utilizzare.
Un convertitore di frequenza ottimizza sia la tensione del motore che la frequenza della corrente del motore tramite la modulazione dell'ampiezza degli impulsi. Per questo sono necessari gli IGBT. I transistor bipolari a gate isolato sono componenti elettronici ad alte prestazioni in grado di commutare correnti elettriche di elevata potenza a frequenze molto elevate. Questa tecnologia consente un controllo ottimale del motore, ma non è economica. Di solito per controllare le ventole si sceglie un regolatore di frequenza V/f o scalare. Un convertitore di frequenza scalare mantiene costante il rapporto V/f (coppia costante) per l'intera gamma di velocità. Si tratta dei convertitori di frequenza più semplici, data la piccola quantità di dati del motore richiesti dall'azionamento. Per controllare il motore è necessaria solo una configurazione limitata. Il V/f è l'unico metodo di controllo che consente di controllare più motori con un unico convertitore di frequenza. In queste applicazioni, tutti i motori si avviano e si arrestano contemporaneamente e seguono lo stesso riferimento di velocità.
A differenza di un convertitore di frequenza, un regolatore di velocità per ventilatori varia solo la tensione del motore. Questo tipo di regolatore di velocità è adatto solo ai motori controllabili in tensione e può quindi essere utilizzato in applicazioni in cui la coppia diminuisce con la velocità, ad esempio per il controllo dei ventilatori. Il grande vantaggio di questo tipo di regolatore è la semplicità di funzionamento e il prezzo contenuto. Non è necessaria alcuna configurazione; una volta collegato tutto, il ventilatore può essere controllato immediatamente. La costruzione di un regolatore di velocità per ventilatori è molto più semplice di quella di un variatore di velocità. Questo si riflette anche sul costo. Per i regolatori di velocità dei ventilatori si possono utilizzare diverse tecnologie, ognuna con vantaggi e svantaggi specifici. Le tecnologie più comunemente utilizzate sono: regolatori di velocità a trasformatore (regolatore a 5 fasi) o regolatori elettronici di velocità del ventilatore (controllo dell'angolo di fase TRIAC).
Come impostare la velocità del ventilatore CA richiesta?
Indipendentemente dal tipo di regolatore di velocità CA o di inverter, l'utente deve essere in grado di specificare la velocità desiderata. Questo può essere fatto in diversi modi. Da un lato, si distinguono i regolatori di velocità in cui i controlli sono integrati nel dispositivo, dall'altro i dispositivi che richiedono un segnale elettrico esterno con cui impostare la velocità desiderata. Questo segnale esterno può essere analogico (ad esempio, 0-10 Volt) o digitale (ad esempio, comunicazione Modbus RTU). Le possibilità di impostare la velocità desiderata tramite un segnale elettrico esterno sono illustrate in dettaglio nell'articolo sui potenziometri.
Indipendentemente dal tipo di regolatore di velocità CA o di inverter, l'utente deve essere in grado di specificare la velocità desiderata. Questo può essere fatto in diversi modi. Da un lato, si distinguono i regolatori di velocità in cui i controlli sono integrati nel dispositivo, dall'altro i dispositivi che richiedono un segnale elettrico esterno con cui impostare la velocità desiderata. Questo segnale esterno può essere analogico (ad esempio, 0-10 Volt) o digitale (ad esempio, comunicazione Modbus RTU). Le possibilità di impostare la velocità desiderata tramite un segnale elettrico esterno sono illustrate in dettaglio nell'articolo sui potenziometri.
Motori EC - motori con regolatore di velocità incorporatoMotore EC
I motori elettrici DC senza spazzole sono anche chiamati motori a commutazione elettronica (motori EC). Sono motori sincroni che vengono azionati dalla corrente continua tramite un regolatore (di velocità) incorporato. Tuttavia, i motori EC sono collegati alla corrente alternata (tensione di rete). Questa corrente alternata viene convertita internamente in corrente continua con cui il controllore integrato controlla il motore.
I motori elettrici DC senza spazzole sono anche chiamati motori a commutazione elettronica (motori EC). Sono motori sincroni che vengono azionati dalla corrente continua tramite un regolatore (di velocità) incorporato. Tuttavia, i motori EC sono collegati alla corrente alternata (tensione di rete). Questa corrente alternata viene convertita internamente in corrente continua con cui il controllore integrato controlla il motore.
I motori EC hanno solitamente un rotore costituito da magneti permanenti che ruotano attorno a uno statore. Il regolatore integrato contiene un raddrizzatore che converte la tensione di alimentazione CA in corrente continua (CC). Il regolatore integrato invia quindi la giusta quantità di corrente, nella giusta direzione e al momento giusto, attraverso gli avvolgimenti dello statore. Questo crea un campo magnetico rotante nello statore, che aziona il rotore con magneti permanenti. La posizione di ciascun magnete del rotore viene determinata mediante sensori di Hall. I magneti appropriati vengono attratti in sequenza dai poli magnetici dello statore. Allo stesso tempo, il resto degli avvolgimenti dello statore viene caricato con la polarità invertita. Queste forze attrattive e repulsive si combinano per ottenere una rotazione regolare e produrre la coppia ottimale. Poiché tutto questo avviene elettronicamente, è possibile un monitoraggio e un controllo preciso del motore. Un motore EC può quindi essere considerato come la combinazione di motore e regolatore di velocità in un unico involucro.
I motori EC sono solitamente più costosi rispetto ai motori AC, ma offrono alcuni vantaggi. I principali sono: un elevato rapporto coppia-peso grazie alla struttura più compatta e un consumo energetico inferiore rispetto ai motori CA. I magneti permanenti e l'elettronica integrata rendono questo tipo di motore più costoso. I magneti permanenti e l'elettronica integrata rendono questo tipo di motore più costoso. . Se il motore EC può essere controllato direttamente tramite comunicazione Modbus, tutti i parametri del motore, come la temperatura degli avvolgimenti, la potenza assorbita, la velocità di rotazione, il contaore, ecc. possono essere letti a distanza. La messa in funzione potrebbe essere più complicata, ma una volta installata, questa soluzione offre più opzioni, soprattutto in termini di integrazione in sistemi BMS o sistemi di ventilazione intelligenti.
Come si imposta la velocità del ventilatore EC?
Come i regolatori di velocità dei ventilatori per i motori CA, anche i motori EC possono essere controllati tramite un segnale elettrico esterno (detto anche segnale analogico) o tramite comunicazione Modbus RTU. Il segnale analogico può essere generato manualmente tramite un potenziometro o automaticamente tramite un sensore HVAC. In questo modo, i ventilatori con motore EC possono essere controllati tramite un potenziometro o un sensore HVAC.
Le immagini seguenti forniscono una panoramica delle possibilità di controllo di un motore CA o di un motore EC:
