Motori elettrici, ecco come scegliere quello giusto e migliorare l’efficienza energetica della fabbrica

I motori elettrici sono praticamente ovunque intorno a noi: li troviamo in funzione negli stabilimenti industriali, ma anche in moltissimi elettrodomestici di uso quotidiano (dalla lavatrice allo spazzolino elettrico), per non parlare degli edifici in cui viviamo e lavoriamo, dove svolgono un ruolo indispensabile per esempio per il funzionamento di pompe e compressori.

A dimostrazione della pervasività dei motori elettrici basti pensare che il 45% dei consumi elettrici globali è proprio riconducibile all’azione di questi motori, che sono sostanzialmente indispensabili per il funzionamento delle macchine sui cui si basano le nostre economie e società.

Motori diversi per compiti diversi

Dal momento che sono impiegati ovunque e per assolvere a funzioni molto diverse, i motori elettrici devono eseguire diversi tipi di movimento: in alcuni casi veloci, in altri precisi, oppure in maniera continua e a velocità costante, oppure con variazioni di velocità, ecc.

Non solo: le attività richieste al motore possono essere più o meno impegnative, dunque per sostenerle occorrerà avere alle spalle un sistema con una taglia e una potenza elettrica adeguata.

Questa premessa serve per ricordare come in commercio non esista un solo tipo o una sola famiglia di motori elettrici, ma tantissimi esemplari con caratteristiche diverse, progettati per assolvere a compiti differenti. Anche se è difficile dire a priori su quale motore debba puntare una specifica organizzazione per una determinata attività, è possibile però fare alcune distinzioni che aiutano a comprendere in che modo venga effettuata una scelta di questo tipo.

Motori elettrici sincroni e asincroni

Una prima fondamentale distinzione deve essere fatta in relazione alle dimensioni del motore: i motori di piccola taglia vengono utilizzati nei compressori dei condizionatori e dei frigoriferi, nei finestrini delle auto, nelle stampanti da computer, nelle ventole di raffreddamento delle apparecchiature elettroniche e in innumerevoli dispositivi di uso comune.

I motori di taglia media si trovano negli impianti di climatizzazione (HVAC), negli ascensori, nelle metropolitane e nelle auto elettriche e ibride. Sono inoltre diffusissimi nell’industria per azionare pompe, trasportatori, ventilatori e movimenti meccanici di ogni genere.

I motori elettrici più grandi vengono impiegati su treni, funicolari, sistemi di propulsione navale e attrezzature pesanti utilizzate in miniere e cartiere.

Un’ulteriore differenziazione fondamentale è quella tra motori sincroni e asincroni. Il motore sincrono è un tipo di motore elettrico in corrente alternata in cui lo statore, generalmente trifase, genera un campo magnetico rotante: questa modalità rappresenta una tipologia che ben si adatta alle esigenze di quelle realtà che hanno bisogno di un motore che funzioni in modo continuo e con poche variazioni di velocità. Ultimamente si sta affermando il motore sincrono a riluttanza, che unisce le prestazioni di un motore a magneti permanenti con la semplicità di utilizzo e manutenzione di un motore a induzione.

Al contrario un motore asincrono è un tipo di motore elettrico in corrente alternata in cui la frequenza di rotazione non è uguale né è un sottomultiplo della frequenza di rete, ovvero non è “sincrona” con essa. Un motore di tipo asincrono è dunque consigliabile per tutte quelle applicazioni che prevedono compiti o attività variabili. Le applicazioni riguardano quelle macchine con organi in movimento a velocità fissa o variabile quali ad esempio i sistemi di sollevamento come ascensori o montacarichi, di trasporto come nastri trasportatori, i sistemi di ventilazione e climatizzazione (unità trattamento aria), senza dimenticare forse il più comune impiego come pompe e compressori.

Il peso dell’efficienza energetica

Particolarmente rilevante è poi l’aspetto dell’efficienza energetica, che è sempre più fondamentale soprattutto per le imprese industriali, spesso energivore e che devono fare i conti in Italia con un prezzo dell’energia superiore rispetto a quello dei competitor europei.

A fare la differenza in tal senso sono proprio i motori, considerato che circa il 70% dell’energia che viene consumata nell’industria è assorbito da questi dispositivi. Ecco perché, date per verificate le altre variabili descritte in precedenza, la capacità di un motore elettrico di essere più o meno efficiente da un punto di vista energetico influenza notevolmente le scelte di acquisto delle imprese industriali.

Il primo aspetto da considerare è la taglia del motore: un motore sovradimensionato rispetto al compito consumerà una quantità eccessiva di energia erogando solo una frazione della potenza disponibile, mentre un motore con una potenza insufficiente sprecherà energia a causa del surriscaldamento. Dunque, già soltanto selezionando un motore di taglia adeguata le aziende possono risparmiare energia e denaro e limitare altresì il proprio impatto ambientale.

Come misurare l’efficienza energetica

In linea generale, comunque, i motori elettrici moderni presentano un’efficienza maggiore rispetto al passato, grazie a un miglioramento costante ottenuto nel corso degli anni, frutto delle evoluzioni dei materiali e della progettazione di statori e rotori. Permangono notevoli differenze nel rendimento energetico tra i motori in commercio. Inoltre, il parco installato nelle fabbriche resta costituito prevalentemente da motori vecchi con un’efficienza molto bassa.

Più nel dettaglio, l’efficienza di un motore viene misurata in base a una scala pubblicata dalla IEC, la Commissione Elettrotecnica Internazionale.

I motori di categoria IE1 e IE2 sono oggi considerati obsoleti. Alcuni motori fra i più recenti raggiungono lo standard IE4, che indica dispersioni di energia inferiori di circa il 15% rispetto ai motori IE3, mentre i recentissimi motori IE5 con efficienza “ultra-premium” offrono il massimo livello di efficienza fra tutti i motori attualmente in commercio.

A spingere l’efficienza dei motori elettrici a livello europeo ci sono anche le normative: il nuovo Regolamento EU 2019/1781 sulla Progettazione Ecocompatibile (Ecodesign), interessa direttamente le aziende che acquistano, vendono e utilizzano motori e azionamenti. L’obiettivo più ampio del regolamento, naturalmente, è quello di permettere alla UE di raggiungere gli obiettivi di efficienza energetica e di emissioni di CO2, così da limitare l’aumento medio della temperatura globale.

Il regolamento UE 2019/1781 sarà implementato in due fasi, a partire dall’1 luglio 2021. La seconda fase, che amplia ulteriormente il campo di applicazione e aumenta i requisiti per i motori, inizierà due anni dopo, l’1 luglio 2023.

Il ruolo dei drive

Dunque, con l’installazione di un motore di nuova generazione si possono ottenere notevoli benefici in termini di consumi, ma risparmi ancora maggiori si possono realizzare attraverso la combinazione di un motore ad alta efficienza con un azionamento a velocità variabile.

Un azionamento a velocità variabile, detto anche drive, consente infatti di controllare un motore elettrico in modo da ottimizzarne l’esercizio. Questo risultato viene ottenuto regolando la velocità e la coppia del motore in base al fabbisogno di carico del sistema. In buona sostanza, con un drive idoneo, il motore elettrico girerà esattamente alla velocità richiesta dal carico sottostante, con un notevole risparmio di potenza e guadagnando così in efficienza.

Abbinando un azionamento a velocità variabile al motore di una pompa, di un ventilatore o di un compressore, il consumo energetico viene ridotto tipicamente del 25%. Eppure, secondo le stime, attualmente soltanto il 23% dei motori industriali installati in tutto il mondo è abbinato a un drive. Si prevede che questa percentuale aumenterà al 26% nei prossimi cinque anni, ma si potrebbero ottenere ulteriori risparmi significativi a fronte di un tasso di adozione maggiore.

ABB: efficienza elevatissima con i motori sincroni a riluttanza

In particolare quando un’impresa produttiva vuole puntare in maniera decisa sull’efficienza energetica, la miglior soluzione è quella di scegliere un motore sincrono a riluttanza (SynRM), abbinato a un azionamento a velocità variabile (VSD).

La tecnologia sincrona a riluttanza unisce le prestazioni dei motori a magneti permanenti alla semplicità e facilità di manutenzione dei motori a induzione, perché non utilizzano le terre rare presenti nei magneti permanenti. Il rotore del motore sincrono a riluttanza è infatti privo di magneti o avvolgimenti e, quindi, non è soggetto a perdite di potenza. Inoltre, poiché non vi sono forze magnetiche nel rotore, la manutenzione è semplice come quella dei motori a induzione.

Su questa tipologia ha puntato sin dal 2011 ABB, multinazionale leader nella produzione dei motori elettrici, dapprima per pompe e ventilatori, con una classe di efficienza IE4. Successivamente, nel 2019, ABB ha introdotto il motore SynRM IE5 con efficienza ultra-premium.

Più nel dettaglio, i SynRM IE5 ultra-premium di ABB sono progettati per ridurre le perdite di energia del 40% rispetto ai motori IE3, oltre a garantire una drastica riduzione del consumo di energia e delle emissioni di CO₂ rispetto ai motori a induzione IE2. Inoltre, la tecnologia SynRM garantisce temperature dell’avvolgimento fino a 30° C più basse e temperature del cuscinetto fino a 15° C più basse, aumentando l’affidabilità, prolungando la durata del motore e riducendo la necessità di manutenzione.

Il motore SynRM IE5 ha le stesse dimensioni di un motore a induzione IE2, eliminando quindi la necessità di modifiche meccaniche e agevolando la sostituzione delle soluzioni tradizionali. Da rilevare che i motori ABB SynRM IE5 possono essere utilizzati in un’ampia gamma di applicazioni industriali in cui offrono un controllo accurato e un’elevata efficienza nelle diverse velocità, anche a carichi parziali. Tutto questo li rende la scelta ideale per sostituire motori a induzione standard in pompe, ventilatori e compressori, nonché in applicazioni più esigenti come estrusori e nastri trasportatori.

I vantaggi della connettività

In linea più generale, quando si parla di macchine rotanti occorre considerare come l’ingegneria industriale si sia orientata da tempo verso l’utilizzo di motori più piccoli in numero maggiore, ottimizzati per compiti specifici. Una scelta, che inevitabilmente, genera un maggiore grado di complessità.

Tuttavia, tale complessità può essere gestita efficacemente implementando sensori intelligenti, come l’ABB Smart Sensor, e sistemi di monitoraggio connessi a Internet, che possono avvisare gli operatori quando un motore necessita di riparazioni o sostituzioni (con la cosiddetta manutenzione predittiva).

Equipaggiando i motori esistenti con sensori connessi in modalità wireless, diventa dunque possibile monitorare le prestazioni in modo trasparente e da remoto. Inoltre, i dati raccolti consentono di ottimizzare i processi e ottenere guadagni di efficienza e risparmi energetici significativi.