Selezione abbinata di generatori e motori elettrici

Recentemente, un cliente si è rivolto a noi. Sta realizzando un progetto per una fabbrica di lavorazione all’estero. La capacità della rete elettrica locale è insufficiente e l’erogazione di energia è instabile. Il cliente deve quindi fornire autonomamente un gruppo elettrogeno come principale fonte di alimentazione. Il suo maggior problema riguarda la presenza, all’interno della fabbrica, di diversi motori elettrici, tra cui frantoi, ventilatori e nastri trasportatori. Temono che, qualora il gruppo elettrogeno sia di potenza troppo ridotta, non riesca a garantire l’alimentazione necessaria, mentre, se di potenza eccessiva, comporterebbe uno spreco di denaro. Ci hanno chiesto come effettuare la corretta abbinamento tra gruppo elettrogeno e motore elettrico.

Questo problema è molto comune nei progetti industriali: l’abbinamento tra gruppi elettrogeni e motori elettrici. Se il gruppo elettrogeno viene scelto esclusivamente in base alla potenza nominale del motore elettrico, si incorre in problemi. La ragione fondamentale è che la corrente di spunto al momento dell’avviamento del motore è molto maggiore rispetto alla corrente assorbita durante il funzionamento normale.

Quando il motore viene avviato, è necessario superare l'inerzia rotazionale del rotore e la resistenza del carico per accelerare dalla velocità di fermo fino alla velocità nominale. In questa fase, la corrente nello statore del motore aumenta bruscamente. Quando un motore asincrono trifase viene avviato direttamente, la corrente di avviamento è generalmente da 5 a 7 volte la corrente nominale. Ciò significa che, al momento dell'avviamento diretto, la richiesta di corrente da parte dell'alimentazione di un motore da 30 kW può raggiungere i 150–210 ampere, e la corrispondente richiesta di potenza risulta molto superiore alla potenza nominale del motore.

Quando il generatore Quando il sistema è soggetto a questo impatto, gli indicatori chiave sono la velocità di regolazione della tensione transitoria e il tempo di recupero. Sotto l'effetto di una corrente elevata, la tensione all'estremità del generatore cadrà istantaneamente. Se la caduta è eccessiva o il recupero troppo lento, ciò causerà instabilità del contattore, intervento errato del dispositivo di protezione e spegnimento diretto del generatore. Pertanto, l'accoppiamento tra generatori e motori elettrici è essenzialmente un equilibrio tra la capacità di erogazione di potenza transitoria del generatore e la richiesta di picco del motore.

Il metodo di avviamento del motore elettrico ha l'impatto maggiore sulla scelta del generatore.

L'avviamento diretto genera l'impulso più elevato e presenta un multiplo di corrente di spunto elevato, risultando adatto a motori di piccola potenza o a impianti con elevate esigenze di coppia di avviamento. Utilizzando l'avviamento diretto, il generatore La potenza è solitamente da 2,5 a 3,5 volte la potenza del motore. Il multiplo specifico dipende dalle prestazioni del sistema di eccitazione del generatore. La risposta transitoria dell’unità con eccitazione a magneti permanenti o con regolazione digitale dell’eccitazione è migliore e il multiplo può essere opportunamente ridotto.

L’avviamento a tensione ridotta è un metodo comunemente utilizzato per ridurre l’impatto, tra cui l’avviamento stella-triangolo e l’avviamento a tensione ridotta con trasformatore autocompensatore. L’avviamento stella-triangolo consente di ridurre la corrente di spunto a circa un terzo di quella dell’avviamento diretto, ma anche la coppia di spunto si riduce proporzionalmente, rendendo questo metodo adatto a dispositivi che richiedono avviamento a vuoto o a carico leggero. In questo modo, la potenza del generatore viene generalmente dimensionata da 1,5 a 2 volte la potenza del motore.

Al momento, gli avviatori morbidi sono ampiamente utilizzati. Grazie alla regolazione controllata della tensione mediante silicio controllabile, la tensione può aumentare in modo graduale. La corrente di avviamento può essere limitata a 2–3 volte la corrente nominale. Il processo di avviamento è stabile e l’impatto sul generatore è ridotto. Quando è installato un avviatore morbido, la potenza del generatore deve essere pari a 1,2–1,5 volte la potenza del motore.

L’azionamento con convertitore di frequenza è il metodo di avviamento che genera il minor impatto. La corrente di avviamento non supera praticamente mai la corrente nominale del motore e l’impatto sul generatore è quasi nullo. Tuttavia, essendo un carico non lineare, il convertitore di frequenza produce armoniche. Nella fase di selezione è necessario prestare attenzione alle prestazioni dell’AVR (regolatore automatico di tensione) del generatore e, se necessario, installare un filtro per le armoniche.

Oltre al metodo di avviamento, anche la natura del carico è fondamentale. Le apparecchiature ad avviamento a carico pesante, come compressori d’aria, frantoi e pompe per acqua, sono sottoposte a carico già durante la fase di avviamento, con un impatto maggiore rispetto all’avviamento a vuoto. Nel caso di più motori in funzione contemporaneamente, la potenza di ciascun motore non può essere semplicemente sommata. È necessario tenere conto del coefficiente di contemporaneità e verificare le condizioni operative più sfavorevoli, ad esempio la situazione in cui più motori vengono avviati simultaneamente.

Devono inoltre essere considerati i fattori ambientali. Per ogni 1.000 metri di altitudine, la potenza erogata dal gruppo elettrogeno diminuisce di circa il 10%, poiché la rarefazione dell’aria influisce sul raffreddamento e sulla combustione. Quando la temperatura ambiente supera i 40 ℃, la potenza deve essere ridotta anche in questo caso. In ambienti particolari, come quelli costieri o desertici, devono essere adeguatamente incrementati il grado di protezione e il livello di resistenza alla corrosione.

Tornando alla fabbrica di lavorazione del cliente, lo abbiamo aiutato a individuare: un frantumatore da 45 kW, avviamento a carico pesante, dotato di inverter; un ventilatore da 22 kW, avviamento a vuoto, con avviatore soft; e diversi motori per nastri trasportatori di piccola potenza, avviati direttamente. Allo stesso tempo, il coefficiente di utilizzo è pari a 0,8; considerando l’ordine di avviamento nelle condizioni operative più sfavorevoli, è stato infine installato un gruppo elettrogeno da 120 kW con eccitazione a magneti permanenti e regolazione digitale della tensione. Il feedback del cliente, successivamente ai collaudi, ha confermato che l’attrezzatura avvia in modo regolare, le fluttuazioni di tensione rientrano nei limiti accettabili e il funzionamento è stabile.

In generale, la chiave per il corretto abbinamento del generatore e il motore è la valutazione accurata dell'impatto di avviamento del motore e l'adeguato abbinamento della capacità di risposta transitoria del generatore. La modalità di avviamento, la natura del carico, le condizioni ambientali e il coordinamento tra più macchine sono fattori indispensabili. Se la scelta è ben ponderata, si verificheranno meno problemi sul posto.