Velocità variabile

Migliore qualità dell'alimentazione, diagnostica del sistema, controllo dell'umidità, risparmio energetico, controllo preciso della temperatura, minore rumorosità, sicurezza del processo, maggiore comfort.

La tecnologia dei compressori inverter offre nuove opportunità per gli impianti di condizionamento dell'aria, innanzitutto in termini di edifici ad alta efficienza energetica, consumo energetico ridotto e minori costi di esercizio. 

Inoltre, la tecnologia migliora il fattore di potenza, il che si traduce in una migliore qualità dell'alimentazione, nonché una migliore diagnostica del sistema e protocolli di comunicazione aperti che facilitano la manutenzione. 

L'adattamento continuo alla domanda di raffreddamento offre un maggiore risparmio energetico e un controllo accurato della temperatura.

Il compressore risponde all'ingresso di potenza con la capacità di raffreddamento. L'unità gestisce efficacemente le variazioni di temperatura e funziona a carico parziale, con una riduzione dei costi energetici di oltre il 30% su base annua rispetto a un compressore a velocità fissa o a modulazione meccanica. Il controllo stabile della temperatura assicura i processi in modo ottimale e offre un maggiore comfort. Tutto ciò si traduce in efficienza energetica negli edifici.

La modulazione della capacità attenua i picchi di domanda di potenza, contribuendo anche ad aumentare l'affidabilità della rete e la qualità dell'energia fornita.

Il controllo dell'avviamento graduale si traduce in una corrente di spunto quasi pari a zero e migliora l'indice di efficienza energetica (EER):

• L'avvio diretto del compressore (DOL) assorbe 5-6 volte la corrente nominale fino a raggiungere la velocità di esercizio del compressore. Il compressore a velocità fissa tradizionale in un sistema può effettuare 8-12 cicli di avvio/arresto e ogni avviamento assorbe una corrente elevata dalla rete di alimentazione, il che comporta un elevato consumo di energia e sollecitazioni sula rete di 'alimentazione e sulle parti meccaniche del compressore.
• La maggior parte dei compressori scroll con inverter include l'avvio graduale per evitare picchi di coppia. Previene elevate sollecitazioni meccaniche sulla macchina e genera minori costi di manutenzione e minore usura. Una bassa corrente di spunto aiuta anche a risparmiare sui costi fissi addebitati dalle utenze (calcolo della corrente di picco) e riduce i carichi di backup della rete elettrica.

Ulteriori vantaggi dei compressori inverter sono:

• Un migliore controllo dell'umidità rende l'unità adatta anche per gli stabilimenti termali grazie alla regolazione della capacità dell'unità e dunque un migliore controllo della temperatura di evaporazione.
• Minore rumorosità rispetto ai tradizionali sistemi on-off durante il funzionamento a carico parziale.
  
  Oltre ai vantaggi standard per tutti i compressori inverter e la tecnologia, i compressori commerciali Danfoss sono dotati di inverter prequalificati e convertitori di frequenza progettati per funzionare insieme.

Ciò si aggiunge alla lunga lista di vantaggi per produttori, ingegneri e utenti finali in termini di:

• Riduzione del numero di componenti nel sistema
• Maggiore affidabilità e funzionamento continuo
• Tecnologia più semplice da implementare
• Costi di produzione ridotti
• Time-to-market più breve.

Figura 1

Consumo energetico per sistemi di raffreddamento che utilizzano diverse configurazioni del compressore. Indice di consumo medio in base a simulazioni con compressori di 10-30 TR utilizzati in applicazioni con un basso rapporto di pressione (rooftop); indice 100 = consumo energetico dell'inverter scroll VZH di Danfoss.

Figura 2

Tipico profilo di carico in un edificio.

In un edificio solo poche percentuali di operazioni sono a pieno carico. I sistemi HVAC sono progettati per condizioni di picco (lato destro del grafico). Queste condizioni non sono quelle in cui l'apparecchiatura funzionerà per la maggior parte del tempo. Questo grafico rappresenta i dati climatici annuali tipici e le ore di funzionamento (% dell'anno) per ogni condizione. 

Fonte: Strumento HVAC Danfoss

La scelta del compressore e del convertitore di frequenza, le capacità di progettazione rendono il sistema nel complesso affidabile ed efficiente.

Importanza dell'inverter drive: Il compressore e il convertitore di frequenza devono essere qualificati per lavorare insieme e per applicazioni dedicate. Il convertitore di frequenza modula la velocità del compressore e ne impedisce il funzionamento al di fuori dei limiti di funzionamento del compressore. I convertitori di frequenza degli inverter devono utilizzare algoritmi sviluppati specificamente per il riscaldamento, la ventilazione e il condizionamento dell'aria (HVAC) o per la refrigerazione. Garantiscono che il sistema funzioni entro i limiti dell'applicazione. Il convertitore di frequenza può anche gestire altri dispositivi come valvole di iniezione dell'olio o compressori multipli. Man mano che la velocità di rotazione del compressore cambia, la quantità di refrigerante e di olio che scorre nel compressore aumenta o diminuisce. Il convertitore di frequenza assicura una lubrificazione ottimale del compressore a tutte le velocità.

Competenze del produttore OEM nell'integrazione di sistemi inverter: non tutti gli OEM sono pronti ad adottare la tecnologia degli inverter per le seguenti ragioni:

1. Livello di competenza ed esperienza in progettazione degli OEM nell'implementare la tecnologia inverter. La vasta esperienza nel campo della meccanica deve essere integrata da competenze elettrotecniche, nonché dallo sviluppo e dalla programmazione di regolatori.
2. I compressori inverter cambiano continuamente velocità per adattarsi al carico, il che rende la gestione dell'olio del sistema più complessa rispetto alla tecnologia tradizionale. La gestione dell'olio è una questione chiave, quando non si utilizza una tipologia di compressore oil-free, in cui l'esperienza del produttore del compressore fa la differenza
3. Il supporto applicativo per gli OEM da parte del produttore di compressori e convertitori di frequenza è fondamentale per l'integrazione del sistema.

Convinzioni errate sulla tecnologia a velocità variabile

La tecnologia inverter reagisce troppo lentamente alle variazioni di carico: alcuni scroll inverter aumentano/diminuiscono l'intervallo di velocità tra 0,1s e 3600s. Perdite a pieno carico dell'inverter 5-10%, alla massima velocità l'inverter perde il 3% di efficienza. Poiché il profilo dominante non è il pieno carico, la perdita nel consumo complessivo dell'unità sarà minima.

La circolazione dell'olio aumenta in caso di funzionamento ad alta frequenza: la velocità di circolazione dell'olio controllata elettronicamente da alcuni scroll inverter può essere inferiore al 3% alla massima velocità. La gestione dell'olio è più complessa con i sistemi di compressori inverter. Alcuni scroll inverter controllano la circolazione dell'olio sia a bassa che ad alta velocità, richiedendo minimi aggiustamenti di progettazione.

Gli inverter non possono essere utilizzati nel caso in cui la compatibilità elettromagnetica (EMC) sia un problema: alcune soluzioni di inverter offrono due livelli di filtrazione EMC che soddisfano i più severi standard europei relativamente alle interferenze elettromagnetiche.

Evitare il sovradimensionamento dei sistemi, ridurre la bolletta elettrica e la corrente di spunto, maggiore comfort e processo sono alcuni dei fattori chiave a favore della capacità variabile.

Molti impianti di refrigerazione e condizionamento dell'aria richiedono processi che siano affidabili, più efficienti, compatti, rispettosi dell'ambiente, facili da installare e gestire. I requisiti di raffreddamento variano in un'ampia gamma durante il giorno e nel corso dell'anno a causa delle condizioni ambientali, dell'occupazione e dell'uso, dell'illuminazione, ecc.

• Nel raffreddamento comfort, può anche essere necessario un controllo stabile e accurato della temperatura e dell'umidità in aree come ospedali, reparti IT e telecomunicazioni, raffreddamento di processo.
• In applicazioni come scuole, ristoranti ed edifici adibiti a uffici, è importante che il sistema di raffreddamento sia in grado di adattarsi ad ampi turni giornalieri di carico.
• Nelle applicazioni di processo come la fermentazione, i tunnel di coltivazione e i processi industriali, sono necessarie impostazioni di temperatura precise per garantire la qualità della produzione.

Tre diverse tendenze di mercato convergono per creare nuove opportunità per soluzioni efficienti e sostenibili: 

• Efficienza energetica
• Sistemi intelligenti
• Impatto ambientale

L'efficienza energetica non è più un'opzione. Le normative energetiche si stanno rafforzando. I codici e gli standard energetici degli edifici sono sviluppati a livello globale e gli incentivi energetici ricevono sempre maggiore attenzione. Un'altra questione globale è la sicurezza energetica. Come garantire che un giorno non manchi l'energia?

I sistemi HVAC e di refrigerazione sono generalmente progettati per la domanda di picco che rappresenta solo una piccola percentuale del funzionamento effettivo. Un tale sovradimensionamento comporta perdite di efficienza e costi aggiuntivi per le apparecchiature sovradimensionate. La modulazione di capacità ad alta efficienza energetica è un modo per abbinare la capacità di raffreddamento alla domanda di raffreddamento, soddisfacendo così questi requisiti applicativi.

Esistono diversi modi per modulare la capacità di raffreddamento negli impianti di refrigerazione o condizionamento dell'aria e di riscaldamento. I più noti nel condizionamento dell'aria sono: ciclo on-off, bypass a gas caldo, configurazioni in parallelo di più compressori, modulazione meccanica (anche chiamata digitale) e tecnologia inverter. Ognuna presenta vantaggi e svantaggi.

• Ciclo on-off: comporta lo spegnimento del compressore a velocità fissa in condizioni di carico leggero e può causare cicli brevi e la riduzione della durata del compressore. L'efficienza dell'unità è compromessa dal ciclo di pressione e dalle perdite transitorie. La capacità di turndown è 100% o 0%.
• Bypass a gas caldo: prevede il bypass di una quantità di gas dallo scarico al lato di aspirazione. Il compressore continuerà a funzionare alla stessa velocità ma, grazie al bypass, il flusso di massa refrigerante che circola con l'impianto viene ridotto e di conseguenza diminuisce la capacità di raffreddamento. Questo naturalmente fa sì che il compressore funzioni inutilmente nei periodi in cui il bypass è in funzione. La capacità di turndown varia tra 0 e 100%.
• Configurazioni in parallelo: nel sistema possono essere installati diversi compressori per fornire la massima capacità di raffreddamento. Ciascun compressore può funzionare o meno per attivare la capacità di raffreddamento dell'unità. La capacità di turndown è 0/33/66 o 100% per una configurazione tripla pari e 0/50 o 100% per un tandem.
• Compressore a modulazione meccanica: questa modulazione della capacità meccanica interna si basa su un processo di compressione periodica con una valvola di regolazione; i 2 gruppi scroll si allontanano arrestando la compressione per un dato periodo di tempo. Questo metodo varia il flusso di refrigerante modificando il tempo medio di compressione, ma non la velocità effettiva del motore. Nonostante un eccellente rapporto di turndown dal 10 al 100% della capacità di raffreddamento, gli scroll a modulazione meccanica hanno un elevato consumo energetico in quanto il motore funziona continuamente.
• Compressore inverter: utilizza un drive a frequenza variabile, noto anche come inverter drive, per rallentare o accelerare il motore che fa ruotare il compressore. Questo metodo varia il flusso di refrigerante modificando effettivamente la velocità del compressore. Il rapporto di turndown dipende dalla configurazione del sistema e dal costruttore. Modula dal 10% (a seconda del modello di compressore) fino al 100% a piena capacità con un singolo inverter.

L'aria condizionata è responsabile del 20% circa del consumo totale annuo di energia elettrica in un paese come gli Stati Uniti. L'introduzione della tecnologia di azionamento a inverter negli impianti di condizionamento dell'aria e a pompa di calore offre notevoli risparmi energetici grazie all'efficiente funzionamento a carico parziale ed inoltre contribuisce a migliorare la qualità dell'energia della rete. 

Il fattore di potenza è una misura importante del lavoro necessario a un'azienda elettrica per fornire elettricità. 

L'aumento del fattore di potenza degli impianti può influire direttamente sulla qualità della rete di alimentazione. Per le aziende elettriche, ciò equivale a minori perdite e a una maggiore affidabilità del servizio. Per i proprietari di immobili e abitazioni, questo significa attrezzature più efficienti con la possibilità di programmi di incentivazione locali, statali e/o federali. 

Il fattore di potenza è la combinazione del fattore di potenza di scostamento (scostamento della potenza attiva e reattiva) e del fattore di potenza di distorsione (distorsione dell'energia elettrica dovuta ad armoniche).

Un fattore di potenza prossimo a 1 significa:

• Nessuna interferenza con altre apparecchiature installate
• Nessuna interferenza con la rete 
• Perdite ridotte e maggiore efficienza 

L'uso di drive inverter consente un significativo miglioramento del fattore di potenza, poiché il fattore di potenza di scostamento è prossimo a 1. Il fattore di potenza di distorsione, tuttavia, influisce negativamente su trasformatori, cavi, fusibili e interruttori a causa delle armoniche. 

La tecnologia inverter Danfoss presenta una bassa distorsione e un elevato fattore di potenza (0,98) grazie alla correzione da una valvola ad aria CC, mentre altri convertitori di frequenza o sistemi a modulazione meccanica possono avere un fattore di potenza di solo 0,60. 

Altri vantaggi della correzione del convertitore di frequenza prequalificato nelle soluzioni inverter Danfoss: 

• Aumenta la tensione del circuito immediato quando necessario, migliorando le capacità di funzionamento a basse tensioni di alimentazione. 
• Aumenta la tensione all'interno dell'induttore CA, diminuendo la corrente e le sollecitazioni lungo l'intera catena di componenti di potenza e riducendo al minimo i costi. 
• La maggiore tensione del collegamento CC riduce la corrente motore e le perdite. 
• La correzione del fattore di potenza attivo (PFC) può essere attivata e disattivata a piacere per la massima efficienza del sistema.

Un compressore inverter è progettato per funzionare con un convertitore di frequenza che regola di continuo la velocità del motore del compressore per soddisfare le esigenze di raffreddamento.

Possono essere compressori scroll, rotativi o alternativi, semiermetici, aperti, inclusi compressori a vite, centrifughi e assiali. Questo tipo di compressore utilizza uno speciale convertitore di frequenza per controllare la velocità del motore del compressore (misurata in giri al secondo RPS). I compressori inverter possono funzionare a diverse velocità: il compressore inverter è progettato specificamente per funzionare con diverse velocità del motore, generando così un flusso di massa refrigerante modulato e un'uscita di raffreddamento.

Il drive a frequenza variabile indica la necessità di raffreddamento al motore del compressore. Il motore adatta continuamente la velocità per produrre più o meno portata del raffreddamento per soddisfare le esatte esigenze di raffreddamento. La combinazione dei due dispositivi, compressore e convertitore di frequenza, fornisce una modulazione del raffreddamento continua. Il principio della velocità variabile richiede un compressore molto robusto per il funzionamento alla massima velocità e uno speciale sistema di lubrificazione dello stesso per i sistemi che utilizzano olio. Un'eccellente gestione dell'olio è un requisito fondamentale per garantire la durata del compressore. Il sistema di gestione dell'olio garantisce una buona lubrificazione della serie scroll a bassa velocità ed evita che l'olio in eccesso venga iniettato nel circuito durante il funzionamento a piena velocità per mantenere un rapporto di circolazione dell'olio perfetto.