Secondo la U.S. Energy Information Administration (EIA), oltre il 30% del consumo elettrico nazionale statunitense è utilizzato per alimentare sistemi HVAC e di refrigerazione; una parte significativa di questa energia viene fornita alle ventole di questi sistemi. ebm-papst, produttore di ventole, motori e azionamenti per queste e altre applicazioni comuni, sta sviluppando unità di trasferimento d'aria ad alta efficienza energetica, contribuendo a mantenere freschi i nostri spazi abitativi, gli alimenti e le bevande, riducendo al contempo gli sprechi energetici e le bollette. L'attenzione dell'azienda verso il GreenTech e la sostenibilità permea le sue linee di prodotto così come la sua filosofia aziendale.

Engineering.com ha parlato con gli ingegneri di ebm-papst, che hanno fornito una panoramica della tecnologia che rende le loro ventole efficienti, convenienti, personalizzabili e rispettose dell'ecosistema.

Motori

Oltre un secolo fa, due inventori avevano idee diverse sui modi in cui l'elettricità avrebbe potuto alimentare il mondo. Thomas Edison voleva vendere lampadine a incandescenza; prediligeva generatori e motori a corrente continua (DC). Il suo rivale, Nikola Tesla, inventò il motore a induzione, che funziona a corrente alternata (AC). Ogni tipo di motore ha i suoi pro e contro.

I motori DC sono molto efficienti a qualsiasi velocità e la loro velocità è facile da variare, ma a causa dell'uso di spazzole e collettori, tendono ad avere una vita utile breve. I motori a induzione AC non utilizzano spazzole, il che li rende più durevoli ed economici. Fino a poco tempo fa, i motori AC funzionavano a una sola velocità (in funzione della frequenza di rete), ma i moderni azionamenti a frequenza variabile (VFD) permettono oggi ai motori AC di funzionare a più velocità, sebbene siano poco efficienti nella fascia bassa di velocità.

Il meglio dei due mondi è rappresentato dal motore DC brushless, che utilizza un controllo elettronico al posto di spazzole e collettore, permettendo ai motori di funzionare in modo efficiente a più velocità riducendo al contempo l'usura da attrito tipica dei motori a spazzole. Poiché sostituiscono spazzole e collettori con componenti elettronici, sono spesso chiamati motori a commutazione elettronica, o ECM. In pratica, gli ECM sono motori DC brushless, ma mentre i tipici motori DC brushless funzionano esclusivamente a corrente continua, gli ECM integrano un circuito di conversione da AC a DC, così da poter funzionare direttamente con la tensione di rete AC.

Due ingegneri di ebm-papst offrono un confronto tra motori AC e motori EC:

 

Poiché i motori ebm-papst accettano ingressi AC, gli ingegneri possono facilmente adattarli a progetti che in precedenza utilizzavano ventole AC. Di fatto, il loro ingombro è identico, il che li rende adatti come sostituti diretti. Producono inoltre ventole con ingressi DC per nuove linee di prodotto,alimentate da sorgenti a 24 VDC compatibili con i sistemi di illuminazione a LED utilizzati in molte vetrine refrigerate. Che siano AC o DC, queste ventole sono ecologiche sia in fase di produzione sia durante il funzionamento.

Tecnologia GreenTech per ventole         

ebm-papst è impegnata a rendere ogni nuovo prodotto migliore dei suoi predecessori in termini di economicità ed ecologia. Per questo produce ventole che integrano motore, circuiteria di controllo e pale in un'unica unità, riducendo la quantità di materiale ed energia impiegati nella produzione. Secondo ebm-papst, "la combinazione di elementi metallici e plastici nelle giranti assiali e centrifughe le rende particolarmente leggere e offre il potenziale per un design aerodinamico ottimale, raggiungendo un livello di efficienza energetica mai raggiunto prima, unito a un'acustica migliorata." 

In base ai dati forniti dal sensore di temperatura esterno di ciascuna ventola, il controllore può aumentare o diminuire la velocità delle singole ventole per garantire un raffreddamento uniforme su più zone. Il risultato netto di ventole a velocità multipla controllate individualmente è una significativa riduzione del consumo energetico.

Le ventole dell'azienda superano la direttiva europea ErP sui prodotti connessi all'energia, grazie a una combinazione di pratiche produttive sostenibili e maggiore efficienza.

Elettronica integrata GreenTech     

Una ventola GreenTech può includere correzione del fattore di potenza integrata, filtraggio EMI, protezione da sovraccarico termico,  limitazione di corrente, rilevamento di guasti di tensione di rete e fase,  un commutatore elettronico, circuiteria di avviamento graduale del motore, e un collegamento RS-485 Modbus che fornisce un'interfaccia di programmazione e l'integrazione in sistemi multi-ventola.

La ventola presenta inoltre un controllore PI programmabile che consente agli ingegneri di regolare i coefficienti proporzionale e integrale, sebbene gli ingegneri di ebm-papst affermino che la maggior parte dei loro clienti trovi che i valori predefiniti preimpostati funzionino bene.

Sensori aggiuntivi misurano la velocità della ventola, la tensione, la corrente e la comunicazione sul bus, permettendo al controllore principale di monitorare lo stato della ventola, rilevare guasti e avvisare un tecnico se necessario. I sistemi HVAC possono modificare la velocità della ventola in base all'ora del giorno, all'occupazione degli ambienti, alle condizioni ambientali e praticamente a qualsiasi altra variabile tracciabile.

Monitoraggio remoto con ventole ECM basate su IoT

Monitorare le apparecchiature a livello di macchina è ormai superato. Grazie all'Internet delle  cose (IoT), i dispositivi possono essere osservati e controllati da qualsiasi luogo. Nell'ambito  dell' iniziativa GreenIntelligence , ebm-papst integra la tecnologia IoT e un'interfaccia Modbus nelle sue ventole, permettendo loro di essere integrate in un sistema di building automation  (BAS) come parte di programmi completi di gestione energetica e manutenzione delle macchine.

Il monitoraggio e il controllo remoto possono avvenire in due modi:

1) utilizzando il software di controllo EC di ebm-papst su un computer host con un convertitore di interfaccia, e,

2) tramite controllori compatibili di 3^° parti. (Un elenco dei controllori approvati è disponibile qui.)

Entrambe le interfacce consentono a un responsabile degli impianti di osservare parametri quali ore di funzionamento; velocità della ventola; corrente; tensione; consumo energetico; operazioni di emergenza; temperatura del motore, dell'elettronica e del circuito di potenza; modalità operativa (controllo di temperatura o di pressione/flusso d'aria); setpoint; retroazione della temperatura; e segnali di allarme. Diversi adattatori RS485, come Bluetooth, USB o Ethernet, possono essere utilizzati per collegare le ventole a smartphone, computer portatili o reti informatiche.

 

Grazie a una serie di sensori collegati, una ventola IoT può rilevare un guasto e inviare un codice di errore a un tecnico, riducendo al minimo i tempi di fermo. Naturalmente, prevenire un guasto è meglio che rilevarne uno, per cui il BAS può anche tenere traccia del numero di ore di funzionamento della ventola, il che facilita la manutenzione preventiva. Ancora meglio, i sensori possono rilevare condizioni che potrebbero causare un guasto nel prossimo futuro, facilitando la manutenzione predittiva.

Progettare con ventole ECM/IoT

Ho chiesto a un ingegnere di ebm-papst di illustrarmi il processo di progettazione del sistema di ventilazione per un'unità di refrigerazione commerciale. Per una ventola per evaporatore o condensatore in questa applicazione, un ingegnere stabilirebbe innanzitutto questi parametri di progetto:

• Punto/i di funzionamento del sistema - flusso d'aria e pressione statica
• Vincoli fisici
• Ambiente – temperature ambiente minime e massime, polvere/umidità/spruzzi d'acqua, ecc.
• Tensione di alimentazione, monofase o trifase, limite di potenza
• Controllo velocità/direzione (velocità singola, 2 velocità, velocità variabile, funzionamento inverso)
• Requisiti di monitoraggio (velocità, codici di errore, assorbimento di potenza, ore di funzionamento, temperature di motore/elettronica)
• È necessario un controllore principale? In caso affermativo, di che tipo?

Queste informazioni permettono agli ingegneri di determinare:

• Tipo di ventola – assiale, diagonale o centrifuga
• Dimensione della ventola
• Dimensione del motore
• Opzioni di potenza del motore
• Motore AC o EC
• Opzioni EC necessarie (le opzioni disponibili dipendono dalla dimensione del motore)
• Il controllore principale è compatibile con le ventole ebm-papst?

 

Gli ingegneri sul campo di ebm-papst collaborano con gli ingegneri applicativi del cliente per progettare una configurazione ottimale di ventole che bilanci prestazioni, costo ed efficienza.

Man mano che i settori delle energie rinnovabili e della sostenibilità continuano a crescere, ci stiamo accorgendo che essere ecologici e risparmiare denaro non sono più concetti reciprocamente esclusivi. Dispositivi a risparmio energetico come lampadine a LED, elettronica a basso consumo e ventole efficienti dimostrano che i prodotti dal buon senso ecologico hanno anche un buon senso economico, ed è una lezione che conviene davvero!

Scopri di più sulle ventole GreenTech EC di ebm-papst.