Nei settori minerario e metallurgico, efficienza, riduzione dei costi e sostenibilità sono aspetti fondamentali. In un momento storico in cui i margini sono ridotti, le aziende devono trovare innovazioni tecnologiche per ottimizzare l'operatività e ridurre il consumo energetico, mantenendo la produttività. Un esempio di tecnologia è quella rappresentata dagli azionamenti a velocità variabile (VSD), grazie ai quali è possibile migliorare significativamente le prestazioni dei motori elettrici. Un fattore chiave per ottenere i migliori risultati è garantire che il software sia adattato all'applicazione, il che richiede una conoscenza approfondita del settore.
Jose Giacomoni, Senior Commercial Product Manager di Nidec, spiega il ruolo dei VSD e come possono ottimizzare le prestazioni dei sistemi.
I motori tradizionali funzionano a velocità costante, il che spesso comporta uno spreco di energia, quando l’applicazione non richiede la piena potenza. Un VSD, noto anche come azionamento a frequenza variabile (VFD), è un dispositivo elettronico di potenza che controlla la velocità e la coppia di un motore elettrico variando la frequenza e la tensione della sua alimentazione. Ciò consente di far funzionare i motori alle velocità ottimali, riducendo il consumo energetico e l'usura delle apparecchiature.
Trasportatori e pompe
Gli impianti di estrazione mineraria e di lavorazione dei metalli dipendono fortemente dai sistemi per il trasporto dei materiali. I VSD consentono un controllo preciso della velocità, ottimizzando il flusso dei materiali e riducendo il consumo energetico. Regolando la velocità dei trasportatori in base alle condizioni di carico, i VSD aiutano a prevenire la fuoriuscita di materiale, l'usura dei nastri e l'uso eccessivo di energia.
Le operazioni di estrazione mineraria richiedono anche un uso intensivo di pompe per il drenaggio, il trasporto di fanghi e i sistemi di raffreddamento. Le pompe industriali più vecchie spesso funzionano a pieno regime, con conseguente spreco di energia. I VSD consentono un controllo dinamico della velocità, regolando le prestazioni delle pompe in base alla richiesta, riducendo sia il consumo energetico, che l'usura delle attrezzature. Allo stesso modo, i ventilatori utilizzati nelle miniere sotterranee traggono vantaggio dai VSD, che ottimizzano la circolazione dell'aria tramite la regolazione della velocità, riducendo così il consumo di energia in base ai principi della legge del "quadrato-cubo".
Le operazioni di frantumazione e macinazione sono tra i processi più energivori nell'estrazione mineraria e nella raffinazione dei metalli. Grazie all'impiego dei VSD, gli operatori possono regolare la coppia dei frantoi e dei mulini, per adattarsi alla diversa durezza del minerale e alle diverse velocità di alimentazione, migliorando notevolmente l'efficienza e riducendo il consumo energetico superfluo, aumentando la produttività dell' e riducendo i costi.
Controllo preciso e funzionalità
I VSD possono anche fornire un controllo potenziato per i sistemi di sollevamento, garantendo operazioni fluide, con una riduzione dello stress meccanico dei sistemi stessi. Ciò è particolarmente importante nelle applicazioni di estrazione mineraria in profondità, dove i montacarichi trasportano carichi pesanti su lunghe distanze. L'accelerazione e la decelerazione controllate migliorano la sicurezza e prevengono movimenti improvvisi che potrebbero danneggiare le attrezzature. I sistemi di azionamento rigenerativo, noti anche come front-end attivo (AFE), sono ampiamente utilizzati in questo tipo di applicazioni industriali, sfruttando l'energia in eccesso durante la frenata, restituendola alla rete o riutilizzandola in altre parti del sistema integrato.
Durante la fusione e la raffinazione, varie apparecchiature elettriche, come miscelatori, soffianti e dispositivi di colata, possono trarre vantaggio dai VSD. Queste applicazioni richiedono un controllo preciso della velocità per mantenere la qualità del prodotto, ridurre i costi energetici e garantire condizioni di processo ottimali. Ogni operazione ha i propri requisiti e, sebbene l'hardware dei VSD di una determinata gamma sia simile, è il software a fornire il controllo e le funzionalità specifiche.
Dopo aver selezionato una soluzione in base al tipo di motore, CA, CC o servo, il passo successivo è garantire che le caratteristiche e i controlli richiesti siano integrati. I moderni azionamenti, come quelli di Nidec, sono personalizzati in base alle applicazioni per garantire che forniscano gli ingressi, le uscite, le comunicazioni, la protezione del motore e l'integrazione con l'hardware collegato per ottenere prestazioni ottimali
Vantaggi principali
Il confronto dei costi di installazione dell'hardware ausiliario sul campo tra un'applicazione a velocità fissa convenzionale (diretto online DOL), stella-triangolo, avviatore a reattore, ecc.) e un VSD, è vantaggioso grazie all'ottimizzazione intelligente del flusso del motore, durante il ciclo di avvio iniziale. Ciò riduce i picchi eccessivi della coppia di spunto, consentendo l'utilizzo di cavi di alimentazione più piccoli e a un costo inferiore. Inoltre, il picco massimo di potenza elettrica richiesta durante il ciclo di avvio è notevolmente inferiore, quindi la tariffa base della bolletta elettrica è più bassa.
Ottimizzando la velocità dei motori in base alla richiesta, i VSD possono ridurre il consumo energetico dal 20% al 50%. Garantendo un controllo preciso della velocità dei motori su apparecchiature che funzionano con carichi fluttuanti, come nastri trasportatori, frantoi, pompe e ventilatori, i VSD offrono un miglior controllo e una maggiore uniformità dei processi.
I risparmi ottenuti con l'introduzione dei VSD non sono solo economici. La riduzione del consumo energetico è direttamente proporzionale alla diminuzione delle emissioni di carbonio associate, il che contribuisce agli obiettivi di sostenibilità dell'organizzazione. Vengono introdotte sempre più normative per rafforzare la necessità di ridurre le emissioni globali e i consumatori industriali di energia sono responsabili del 37% del consumo totale di energia prodotta nel mondo.
Sostenibilità
Nel settore dell’estrazione mineraria e della lavorazione dei metalli, i VSD consentono di adeguare più agevolmente i requisiti di processo. Ciò contribuisce a prevenire i colli di bottiglia, migliora la produttività e riduce al minimo le interruzioni operative. Ciò si traduce in una riduzione delle spese operative (OPEX) e dell'impronta di carbonio, rendendo le operazioni più sostenibili.
Un esempio di processo che utilizza una quantità significativa di energia, è il sistema di raffreddamento, fondamentale per mantenere un ambiente di lavoro confortevole nei siti minerari sotterranei. Gli audit energetici evidenziano spesso la fattibilità dell'installazione della tecnologia VSD su pompe e ventilatori, e ciò è supportato da progetti pilota che dimostrano risparmi reali.
In effetti, i VSD raddoppiano questo vantaggio. I motori che funzionano a correnti più basse non solo consumano meno energia, ma generano anche meno calore, riducendo la richiesta ai sistemi di raffreddamento. Inoltre, i VSD contribuiscono ad un ambiente di lavoro più silenzioso riducendo al minimo la rumorosità del motore.
Il funzionamento dei motori elettrici a velocità elevate costanti può causare uno stress meccanico eccessivo, riducendo la durata delle apparecchiature e aumentando i costi di manutenzione e la richiesta di pezzi di ricambio. I VSD mitigano questo problema riducendo in modo significativo lo sforzo sui componenti meccanici, prolungandone la durata e riducendo la necessità di utilizzare componenti aggiuntivi sotto forma di pezzi di ricambio.
Confronto tra le tecnologie
Alcuni dei vantaggi derivanti dai VSD possono essere ottenuti con l'utilizzo di avviatori statici, ma è importante comprendere le differenze tra le due tecnologie prima di prendere qualsiasi decisione. Un passo avanti rispetto ai sistemi DOL o stella-triangolo, gli avviatori statici aumentano gradualmente la tensione di alimentazione al motore, fornendo il controllo della velocità e della coppia solo durante l'avviamento. Sono spesso utilizzati quando il sistema meccanico azionato dal motore richiede un avvio graduale, per alleviare i picchi di coppia e la tensione associati al normale avvio, ad esempio nastri trasportatori, ventilatori a cinghia e trasmissioni a ingranaggi. Gli avviatori morbidi sono ampiamente utilizzati per la loro semplicità e ingombro ridotto, ma esistono molte applicazioni che potrebbero trarre vantaggio dalle funzionalità più avanzate dei VSD.
I variatori di velocità offrono una velocità completamente regolabile, ideale per pompe, trasportatori e ventilatori e possono controllare l'avviamento, l'arresto e l'accelerazione. Il controllo della velocità offerto da un VSD può essere utilizzato per ridurre i picchi di pressione causati nei sistemi di pompaggio, ottimizzando le prestazioni e prolungando la durata della pompa stessa. Sono inoltre dotati di controllo dinamico della coppia e garantiscono un movimento fluido per applicazioni quali ascensori e gru.
Tuttavia, i vantaggi principali derivano dal controllo continuo del picco di energia richiesta e dalla riduzione della potenza quando non è necessaria, riducendo al minimo i costi energetici. La capacità di mantenere la velocità al variare dei requisiti di coppia, è importante per molte applicazioni, tra cui trasportatori, miscelatori, macinatori e frantoi.
Considerazioni sull'ambiente di installazione
Se c'è un fattore comune tra l'estrazione mineraria e la lavorazione dei metalli, è l'ambiente di lavoro difficile, che può comportare la presenza di polveri abrasive, aria salina corrosiva e temperature estreme. Il funzionamento dei macchinari e dei relativi dispositivi di controllo è un compito impegnativo. Le attrezzature devono essere specificate con cura, non solo per la loro idoneità a svolgere il compito , ma anche per resistere alle condizioni ambientali locali. È qui che la scelta del fornitore delle attrezzature diventa così importante. Lavorare con un produttore che abbia esperienza nel settore e competenza nelle applicazioni specifiche in discussione, è fondamentale per un esito positivo. Idealmente, è possibile utilizzare diversi esempi sul campo, supportati da feedback positivi degli operatori, per dimostrare l'affidabilità e la robustezza del design.
Per le applicazioni minerarie, un marchio che garantisce durata in questo mercato spesso offre buone prestazioni in tutti gli altri settori. In condizioni così difficili e con requisiti operativi così complessi, le soluzioni su misura per gli azionamenti a velocità variabile offrono le migliori proposte, garantendo agli operatori di massimizzare i vantaggi e di lavorare in tutta tranquillità.
Guardando al futuro
La chiave per ottenere questi vantaggi non è solo l'installazione del VSD, ma il modo in cui il VSD fornisce il controllo, come è configurato e come l'hardware interagisce con il software. Gli operatori dovrebbero sicuramente rivolgersi a un produttore leader di azionamenti, come Nidec, per applicare la propria esperienza industriale e ottimizzare l'applicazione.
Poiché le industrie metallurgiche e minerarie continuano a dare priorità alla sostenibilità e all'efficienza operativa, l'adozione di VSD è destinata ad aumentare. I progressi nella digitalizzazione, nell'automazione e nel monitoraggio remoto migliorano ulteriormente le capacità industriali della tecnologia VSD. Molti VSD moderni sono dotati di sensori intelligenti e funzionalità di connettività, che consentono il monitoraggio delle prestazioni in tempo reale e la manutenzione predittiva. Ciò riduce i tempi di inattività e ottimizza ulteriormente il consumo energetico.
I variatori di velocità stanno trasformando l'industria metallurgica e mineraria migliorando l'efficienza energetica, ottimizzando il controllo dei processi industriali, riducendo i costi di manutenzione e contribuendo ad un ambiente di lavoro più sicuro. Dai sistemi di trasporto, ai frantoi e ai montacarichi, i VSD offrono vantaggi senza pari che consentono di risparmiare sui costi e migliorare le prestazioni operative dei sistemi. Mentre le aziende si impegnano a rispettare le normative ambientali e gli obiettivi di sostenibilità, l'integrazione dei VSD avrà un ruolo fondamentale nel plasmare il futuro del settore.