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Trattamento delle acque reflue con motori a magneti permanenti

Il processo di trattamento delle acque reflue include anche la disidratazione dei fanghi, che consente poi il trasporto dei materiali solidi verso i processi di trasformazione in fertilizzante. Proprio sulla pressa per fanghi, Bauer Gear Motor, parte di Altra Industrial Motion Corporation, ha applicato prima un motore asincrono e poi un motore a magneti permanenti. Il confronto ha fatto emergere i vantaggi derivanti dall’utilizzo della seconda soluzione.

di Cesare Pizzorno

Settembre 2017

Specificare il motore corretto è relativamente semplice con applicazioni a velocità costante, ma l’utilizzo di questi principi con situazioni che richiedano diverse velocità e diverse direzioni con carichi variabili può essere un po’ più complesso. Inoltre, i calcoli teorici sono solo l’inizio: è poi necessario verificarli nella realtà perché siano credibili a qualsiasi livello. In questa ottica, Bauer Gear Motor, parte di Altra Industrial Motion Corporation e azienda di riferimento nella produzione di motoriduttori, ha organizzato una dimostrazione dei vantaggi dei motori sincroni a magneti permanenti (PMSM) in una reale applicazione industriale.

Apparecchiature affidabili per minimizzare i tempi di fermo
Il trattamento delle acque reflue non si interrompe mai, 24 ore al giorno per 7 giorni alla settimana, e gran parte dei processi si avvale di motori elettrici. Il funzionamento continuato nell’arco del giorno rende qualsiasi risparmio energetico significativo, in termini sia di risultati che di rapido ritorno sull’investimento. Tuttavia, questo significa anche che l’affidabilità dell’apparecchiatura diventa fondamentale per minimizzare i tempi di fermo.
Il processo di trattamento delle acque reflue include anche la disidratazione dei fanghi, che consente poi il trasporto dei materiali solidi verso i processi di trasformazione in fertilizzante, mentre il liquido risultante viene sottoposto a ulteriori trattamenti. Una macchina inclusa nel processo si avvale di un motore da 2,2 kW per far ruotare una coclea conica che comprime il fango rimuovendone la parte liquida. Proprio qui, Bauer ha installato il suo motore dimostrativo.

Prestazioni diverse per i processi di compressione e risciacquo
La pressa per fanghi è stata configurata con un inverter Danfoss per alimentare il gruppo motore-riduttore che fa ruotare la coclea conica. L’inverter è stato programmato per monitorare i carichi su ciascun motore, al fine di garantire che operassero alla massima efficienza. Per essere certi che qualsiasi differenza in termini di efficienza potesse essere attribuita ai motori, ogni motore ha utilizzato lo stesso riduttore Bauer. Le impostazioni di velocità e pressione sono state determinate dall’operatore dell’impianto, che aveva già definito il contenuto di umidità richiesto per il materiale solido da trasportare.
Il funzionamento di una pressa per fanghi implica solitamente due processi - compressione e risciacquo - che richiedono prestazioni molto diverse da parte del motore di azionamento: durante l’operazione di compressione, che è la parte preponderante del processo, il motore opera a velocità inferiori, con l’inverter operante tra i 10 e i 20 Hz. Il carico sul motore dipende dal contenuto di umidità richiesto dall’operatore dell’impianto; il valore guida si aggira comunque su circa il 70% del carico nominale. Esso può aumentare all’avvio a causa dell’inerzia della coclea e del maggiore carico dato dai fanghi che si sono asciugati nella pressa.

Motore asincrono (ASM) e motore a magneti permanenti (PMSM)
Dopo diversi cicli di compressione dei fanghi, è necessario pulire la coclea e il vaglio, operazione che viene effettuata invertendo la direzione del motore di azionamento e risciacquando i componenti interni tramite barre spruzzatrici. Il carico sul motore è relativamente basso - circa il 35% di quello nominale - ma la velocità è molto maggiore, con frequenze comprese tra 50 e 80 Hz.
Nel primo caso, sulla pressa per fanghi è stato installato un motore asincrono (ASM) IE2 da 2,2 kW, impostando l’inverter Danfoss per registrare tutti i dati relativi alla velocità, al carico e all’efficienza, per poterli poi riprodurre in forma grafica per l’analisi. Una volta raccolta una serie significativa di dati, il motore ASM è stato rimosso e sostituito col motore PMSM IE3 da 2,2 kW, configurandolo sulla pressa per fanghi per lo stesso tipo di funzionamento. Anche in questo caso, i dati sono stati raccolti e riprodotti in forma grafica per l’analisi.
I risultati iniziali hanno evidenziato un’efficienza notevolmente superiore del motore PMSM durante il ciclo di compressione, impostato a una velocità del motore equivalente a 15 Hz con un carico di 10 Nm, come mostrato nel grafico in Figura 1.

Efficienza operativa superiore per i motori a magneti permamenti
I dati hanno consentito di effettuare un confronto all’aumentare del carico sui motori riducendo però la velocità a 10 Hz. Questo ha dimostrato un chiaro vantaggio per il motore PMSM, la cui efficienza operativa è stata molto superiore, specialmente con carichi parziali, come mostrato nella Figura 2.
Anche per il ciclo di risciacquo, il motore ASM si è dimostrato in svantaggio a causa del carico parziale, mentre il motore PMSM ha offerto caratteristiche migliori. Le prestazioni complessive di ciascun motore sono illustrate più chiaramente da un grafico tridimensionale che traccia l’efficienza in funzione del carico e della velocità. La Figura 3 illustra le prestazioni del motore ASM e la Figura 4 quelle del motore PMSM.
I miglioramenti in termini di efficienza si traducono in risparmi economici, che hanno un impatto significativo sul costo totale di proprietà.

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